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Video mit kurzem Überblick RoboFormica
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Wir hatten das Ziel das Navigationsverhalten von Ameisen mit Robotern zu simulieren. Dazu bauten wir Roboterameisen, die Leuchtspuren legen, diesen folgen und so den kürzeren von zwei Wegen finden.
Team:
Robin Kaufmann (PL), 5420 Ehrendingen (AG)
Luca Bürgi, 5443 Niederrohrdorf (AG)
Jonathan Chen, 5442 Fislisbach (AG)
Typ:
Maturaarbeit
Kategorie:
Installation/Robotic
Alterskategorie:
Seniors (17- bis 20-Jährige)
Ausführliche Projektbeschreibung
Das Ziel des Projekts RoboFormica ist die Beantwortung der Fragestellung: Ist es möglich, das auf Pheromonen basierende Navigationsverhalten von Ameisen mittels Robotern und phosphoreszierendem Untergrund zu simulieren?
Auf der Suche nach einer Futterquelle markiert jede Ameise bestimmter Ameisengattungen ihren Weg mit Pheromonen (Signalmolekülen). So können sich mehrere Pheromonspuren zu einer Futterquelle bilden. Die einzelne Ameise kann die Intensität der Pheromone, die mit der Zeit durch Diffusion schwächer wird, wahrnehmen.
Der kürzeste bisher markierte Weg sollte nach einiger Zeit die höchste Pheromonkonzentration aufweisen, weil er von einer Ameise pro Zeit öfters abgeschritten werden kann als die längeren Wege. Somit sollten die Ameisen, wenn sie der stärksten Pheromonspur folgen, den kürzesten gefundenen Weg von ihrem Ameisenbau zur Futterquelle nehmen und sogleich für nachfolgende Ameisen den kürzesten Weg kennzeichnen. Dieses Verhalten soll in dieser Arbeit simuliert werden.
Zur Simulation der Pheromonspurbildung wurden Roboter mit UV-LED-Aufsatz gebaut und auf einem phosphoreszierenden (nachleuchtenden) Untergrund fahren gelassen. Dabei markiert jeder Roboter seinen Weg mit einer Leuchtspur. Zur Spurerkennung wurden die Roboter mit Lichtsensoren ausgestattet, mit denen sie die Intensität der Leuchtspuren messen und dadurch der Linie mit der höchsten Leuchtintensität folgen können. Zudem wurden die Roboter mit Tastsensoren zur Hinderniserkennung ausgestattet. Zum Markieren von Nest und Futterquelle auf dem Untergrund wurden Magnete eingesetzt und die Roboter wurden mit Magnetfeldsensoren versehen.
In einem ersten Versuch wurden zwei Roboter gleichzeitig auf dem Untergrund fahren gelassen, ein Roboter auf einer ca. 2 m langen abgetrennten Strecke, der andere auf einer 1 m langen Strecke. Die Roboter wurden programmiert, immer hin und her zu fahren. Die Hypothese des Versuchs war: Die Nachleuchtintensität des kürzeren Weges ist höher als diejenige des längeren.
Dieses Experiment wurde durchgeführt, um zu überprüfen, ob sich der Untergrund eignet zum Simulieren der Veränderung von Pheromonkonzentrationen, also ob erhöhte Lichteinstrahlung auch erhöhte Abstrahlung bedeutet.
Der Durchschnittswert aller gemessenen Leuchtintensitäten auf dem kurzen Weg über die Zeitperiode von fünf Minuten war fast doppelt so hoch wie beim langen Weg. Daraus lässt sich schliessen, dass der Experimentieransatz in diesem Aspekt tauglich ist.
Ziel des zweiten Versuches war es festzustellen, ob für zwei wählbare, verschieden lange Wege nach einiger Zeit eine Bevorzugung des kürzeren Weges durch die Roboter eintreten würde. Für diesen Effekt konnten zwar leichte Tendenzen beobachtet werden, allerdings waren die Resultate nicht signifikant.
Im Rahmen der Weiterarbeit am Projekt wurde ein dritter Versuch durchgeführt. Für diesen wurden diverse Optimierungen an Untergrund, Robotern und Programm vorgenommen. In diesem letzten Versuch gelang es signifikante Resultate zu erreichen. In 81% aller Fälle wurde von den autonomen Roboterameisen dank dem simulierten Navigationsverhalten der kurze Weg gewählt.
Somit hat sich die Hypothese bestätigt: Es ist möglich, das auf Pheromonen basierende Navigationsverhalten von Ameisen mittels Robotern und phosphoreszierendem Untergrund zu simulieren! Mit der Zeit stellt sich eine signifikante Bevorzugung des kürzeren Weges ein!
Das Projekt RoboFormica entstand als Maturaarbeit an der Kantonsschule Baden. Es wurde nach der Einreichung als Maturaarbeit weiterentwickelt und auch noch für den Nationalen Wettbewerb von Schweizer Jugend forscht eingereicht.
Informationen zu den verwendeten Technologien:
Es wurden folgende Technologien eingesetzt:
Roboterameisen:
Mikrocontroller Arduino Leonardo
Motorentreiber DK Stepper Motor Driver mit IC L293D
Lichtsensorensteuerung
-Transistoren Typ BC548C
-Potentiometer Helitrim 89P 10kOhm
Lichtsensoren
-Phototransistor Typ BPX 43
Taster
-Mikroschalter Flachhebel l=42mm
UV-LEDs
-Widerstände 56Ohm, 10kOhm
-UV-LED OEM Wellenlänge 395-400nm Helligkeit 200-300mcd Betriebsspannung 3.4-3.6V
-Transistoren Typ BC548C
Untergrund:
-Grundierte Holzplatten
-Phophoreszierender Farbspray
-Klarlackspray
-Diverse Holz- und Kartonstücke als Banden
Programmierung: Arduino 1.6.1 (based on Processing)
Dokumentation:
Microsoft Word 2010
Microsoft Excel 2010
Kameras:
Canon EOS 500D
Panasonic Lumix DMC-TZ7
Panasonic Lumix DMC-TZ71EG-K
Für die zwei Zeitrafferaufnahmen im Film wurde eine interne Zeitrafferfunktion in der letzten Kamera zurückgegriffen. Der Abstand zwischen den einzelnen Frames beträgt 10s.
Videobearbeitung:
Pinacle Studio 11.1
Informationen zur Organisation der Teamarbeit
Der grösste Teil der Arbeit entstand im Team, wobei jeder gerade die Aufgaben annahm, die am nötigsten waren und wo er seine Fähigkeiten am besten einsetzte.
Der Bau der Roboter geschah gemeinschaftlich, die Programmierung wurde hauptsächlich von Robin übernommen. Der Untergrund wurde von Luca gebaut. Jonathan kümmerte sich zu einem grossen Teil um die Recherchen und Luca und Jonathan übernahmen einen grossen Teil der Arbeit am Bericht. Der Film stammt von Robin.
Erst die Arbeit im Team machte überhaupt ein so umfangreiches Projekt möglich und führte uns zum Erfolg.
Informationen zu den verwendeten Grafiken, Fotos, Sounds, Videos etc.
Sämtliche Grafiken, Fotos und Videos in dieser Arbeit wurden von uns selbst erstellt. Bei Ausnahmen im Bericht sind die Quellen in den Fussnoten und im Abbildungsverzeichnis angegeben.
Tagebuch der Projektarbeit
Das Projekt RoboFormica begann im Frühling 2014. Damals fand sich unsere Gruppe zusammen, da wir alle Interesse an technischen Basteleien und wissenschaftlichen Fragestellungen hatten. Zuerst wollten wir einen hochkomplexen Roboter bauen welcher dank seiner speziellen Sensoren im Gelände hätte navigieren sollen. Doch durch unsere Auseinandersetztung mit der Navigation von Robotern stiessen wir auf das Navigationsverhalten von Ameisen. Wir waren fasziniert davon, wie die Ameisen mit einfachen Methoden ein komplexes Verhalten, wie das bilden einer Ameisenstrasse erreichen konnten. So entstand die Idee Roboter zu bauen, die wie die Ameisen spuren legen und diesen folgen können. Besonders wollten wir untersuchen, ob auch wir bei unseren Ameisenrobotern das Finden der kürzeren von zwei Spuren erreichen können.
Die Umsetzung stellte sich als schwieriger heraus als erwartet. Insbesondere mit dem nicht besonders präzisen Fahrwerk der Roboter hatten wir zu kämpfen. Bis zum Ende der Maturaarbeit hatten wir es zwar geschafft die Roboter und den zugehörigen nachleuchtenden Untergrund zu bauen, allerdings erreichten wir in unseren Experimenten noch keine eindeutigen Resultate ob nun der kürzere Weg öfter gewählt wird, oder nicht.
Da wir das Projekt noch zu einem schönen Abschluss bringen wollten beschlossen wir noch weiter zu arbeiten und zu versuchen das Projekt für den Nationalen Wettbewerb von Schweizer Jugend forscht einzureichen. Da ich schon seit vielen Jahren bei bugnplay teilgenommen habe, brachte ich den Vorschlag unser Projekt bei bugnplay einzureichen. Im Rahmen der Weiterarbeit wurden diverse Verbesserung an den Robotern, am Programm und am Versuchsaufbau gemacht. Ein Aufwand, der sich gelohnt hat, denn schlussendlich wurden wir mit eindeutigen Resultaten belohnt. Ebenfalls aufgrund einer knappen Abgabefrist fand zwar nur ein kleiner Datensatz Einzug in den Bericht, aber in sämtlichen bis jetzt durchgeführten Versuchen konnte eine Bevorzugung des kürzeren Weges beobachtet werden. Es ist schön, dass unser Projekt, in welches unzählige Arbeitsstunden und viel Herzblut geflossen sind, schlussendlich von Erfolg gekrönt war.