TaxiBot : informatique débranchée automatisée

Développé pour la Fête de la Science 2019, par l’Association POBOT, Club de Robotique Sophia Antipolis, TaxiBot est un dispositif support à des ateliers d’initiation des plus jeunes aux bases de l’algorithmique, mais en mode 100% débranché. Aucun dispositif numérique (ordinateur, tablette…) ni même électronique n’est manipulé par les utilisateurs.
Au lieu de cela, de simples cartes disposées sur un plateau permettent de donner des instructions de route à un robot figurant un taxi évoluant dans une grande ville.
L’interprétation des programmes réalisés par les utilisateurs est confiée à une caméra et à une chaîne de traitement d’image.
Différents niveaux de lectures sont offerts par ce dispositif:
• l’initiation aux concepts de séquence, d’itération et d’appel de procédure pour les plus jeunes
• les techniques d’optimisation, en proposant des challenges consistant à réaliser un programme donné avec le moins de cartes possible
• la présentation de techniques utilisées en traitement d’image et reconnaissance de formes.

L’ensemble du dispositif a été construit intégralement en carton issu de calendriers muraux et en divers matériaux de récupération. Les cartes comme le plateau sont totalement dépourvus d’électronique et donc très simples à reproduire.

Une Rapsberry Pi opère en coulisse, et assure les fonctions suivantes:

• traitement des images du plateau de programmation et production du programme de déplacement du robot

• contrôle à distance du robot par liaison radio

• serveur Web pour l’interface utilisateur de contrôle par l’animateur.

Le robot est un mBot (MakeBlock) légèrement modifié pour l’équiper d’une liaison radio XBee, plus simple à mettre en oeuvre et fiable que le module Bluetooth standard.

L’ensemble du matériel est intégré dans une valise à outil, qui sert également pour le transport du robot et des accessoires. Le terrain d’évolution est imprimé sur vinyle souple, transporté dans un tube ad-hoc réalisé dans un morceau de tuyau PVC pour descente de gouttière.

Détails du dispositif

Présentation des étapes du traitement d’image	Affichage du résultat d’analyse du programme
Contrôle du robot et visualisation des capteurs	Vue du mBot modifié

 Vue de la valise et de son contenu

 Utilisation de taxiBot à la Fête de la Science 2019

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Jouer au jeu des allumettes contre une machine !

I-Présentation

Objectif

Le jeu des allumettes ou jeu de NIM. Ce jeu se joue à deux joueurs. Ici, on dispose 8 bâtonnets sur la table,  chaque joueur à son tour ramasse 1 ou 2 bâtonnets. Celui qui prend le dernier a gagné.

Il existe une stratégie gagnante, une méthode, un « algorithme » qui permet de gagner à tous les coups, si l’on est le joueur qui commence. Cette stratégie n’est pas difficile a deviner. En expérimentant un peu on comprend vite qu’il y a des « positions perdantes » si au moment de jouer, on se retrouve avec 3 ou 6 bâtonnets, c’est perdu … sauf si l’adversaire joue mal. La stratégie consiste donc à laisser à l’adversaire 3 ou 6 bâtonnets.

Comment jouer contre la machine? Avant de commencer, on met dans chaque urne, le même nombre de boules rouges et de boules bleus, généralement deux de chaque. On est fairplay, on laisse la machine commencer, pour lui laisser toutes ses chances face à un joueur averti (qui connait la stratégie).
Lorsque c’est au tour de la machine de jouer, on compte le nombre de bâtonnets restants et on pioche une boule dans l’urne correspondant à ce nombre:

• si la boule est rouge, on retire deux bâtonnets
• si la boule est bleue, on en retire un seul

Attention, on ne remet pas la boule dans l’urne, on la pose devant. À la fin de la partie,

• si la machine a perdu, on enlève toutes les boules qui ont été tirées
• si la machine a gagné, dans chaque urne ou une boule rouge a été tirée, on remet deux boules rouges. Pareil pour les bleus.

Lorsqu’une urne se vide, on la recharge avec deux boules de chaque couleur comme au début.

Au fil des parties, la machine va gagner de plus en plus souvent.
En augmentant la probabilité de tirer une ou l’autre boule, on « apprend » à la machine à jouer de mieux en mieux.

Avec cette activité, nous proposons de soulever le capot pour mieux comprendre les bases d’une technique classique d’apprentissage, dite apprentissage par renforcement.

Histoire

Les jeux ont joué un rôle important dans le développement des méthodes d’apprentissage, un domaine de l’intelligence artificielle en plein essor. Dès les années 50, Alan Turing (1912-1954) explore la question de l’intelligence artificielle et conçoit une expérience connue sous le nom de le test de Turing. Avec Donald Michie, il sont les premiers à s’intéresser à la création d’un programme capable de rivaliser avec les humains pour un jeu de stratégie, dans leur cas les échecs. Ils mettent au point des programmes alors qu’il n’existe pas encore de machines pour les exécuter! Ces réflexions sur la possibilité de créer des machines « qui apprennent » amènent Donald Michie à développer en 1961 une machine destinée à jouer, et surtout à apprendre à jouer, au morpion. Depuis, ce défi a passionné les chercheurs et les victoires se sont multipliées. On se souvient de celle du programme Deep Blue d’IBM sur le champion d’échec Garry Kasparov et de celle du programme AlphaGo sur le champion de go, Ke Lie.

Liens

• une vidéo sur le jeu de Nim
• une variante avec des gobelets
• la page du Liris qui décrit cette activité en détail et dont on s’est inspirés pour créer notre machine
• une machine qui apprend à jouer au morpion
• la video de David Louape: Une intelligence artificielle peut-elle être créative ? Le cas des jeux

II-Construction

Plan de l’objet

Matériaux

• 1 planche de contreplaqué 9mm 1380x 190 mm (bas)
• 1 planche de contreplaqué 9mm 1380x 180 mm (haut)
• 1 planche de contreplaqué 9mm 1380x 200 mm (fond)
• 7 planches de contreplaqué 9mm 200x150mm (séparation)
• 2 planches de contreplaqué 9mm 190x200mm (cotés)
• 1 planche de contreplaqué 9mm 30×30 (pour le support des batonnets)
• 1 planche de plexi transparente 5mm 1200x200mm
• 1 tasseau 5x5mm 2m40
• 1 tourillon 10mm de diamètre 2.4m de longeur
• 1 cornière en bois 45x45mm , 1380mm
• 1 sachet de petits clous
• colle à bois
• 1 morceau de tissus de 1m20x30cm et 8 morceaux de 11cmx35m qui serviront de manches
• papier blanc
• imprimante
• Outils : Perceuse , mèche à bois de 10 , scie cloche 100mm de diamètre , agrafeuse murale, marteau, scie, mètre, colle à tissus, colle à bois, imprimante, découpeuse laser (on en trouve dans les Fablab).

Montage

-Boite machine IA

• Faire 8 trous grâce à la scie cloche avec 7.5cm d’écart entre les bords et chacun des ronds puis mettre de côté 2 cercles qui nous serviront pour la manivelle par la suite.
• Coller à l’aide de la colle tissus les 8 morceaux de 11cmx35m afin d’en faire des petites manches .
• Agrafer sur la planche du haut chacune des petites manches à un trou.
• Assembler le bas , le fond et les côtés grâce aux clous et à la colle à bois.
• Coller les 7 séparations avec un espace de 14.4cm puis le haut et renforcer avec des clous.
• Couper le tasseau de 5mm en : 4 morceaux de 19cm et 1 morceau de 120cm.
• Coller les tasseaux de façon à caler la plaque de plexi contre les séparations.
• Couper le tourillon : 1 morceau de 123cm (pour la manivelle) et 8 morceaux de 10cm (batonnets).
• Faire 1 trou à l’aide de la mèche de 10 sur chacun des côtés afin d’y insérer la manivelle (morceau de tourillon de 123cm).
• Prendre les 2 cercles préalablement mis de côté puis les coller sur chacune des extrémités de la manivelle.
• Enrouler le tissu à la manivelle en collant une extrémité du tissu pour ne pas qu’il glisse entièrement lorsque l’on déroule.
• Coller et clouter la cornière en bois sur la devanture de la machine comme sur l’image.
• Imprimer les chiffres de 1 à 8 puis les coller sur la cornière.

-Support batonnets

• Découper à la découpeuse laser le fichier svg 
• Assembler les pièces puis coller

III-Animation

• une vidéo d’un programme qui permet de simuler le comportement de la machine à apprendre pour un grand nombre de parties et d’observer l’évolution des urnes.
• l’arbre des possibilités, un schéma qui explicite tous les choix possibles à chaque étape du jeu et qui permet de comprendre la stratégie gagnante.

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Tablette de chocolat empoisonnée

I-Présentation

Objectif 

Le but de cette activité est d’aborder la notion de stratégie (algorithme) : en particulier apprendre à créer sa propre stratégie et savoir la décrire de façon précise (eex: une fois sur 2, je prends 1 colonne, et l’autre fois 2 lignes), cela permet aussi de comprendre le concept de stratégie gagnante : le jeu devient « intéressant » puisque l’application d’un algorithme va permettre de toujours gagner (ou perdre selon qui commence), comme pour le jeu de Nim.

Dans ce cas on  arrive à une stratégie/algorithme un peu compliquée (avec une boucle conditionnelle) : si la tablette est rectangulaire, je prend ce qu’il faut pour la rendre carrée ; sinon, je fais un mouvement quelconque.

Ce jeu est une exemple de ce qu’on appel un jeu impartial:
– deux joueurs jouent à tour de rôle
– l’information est complète (chaque joueur voit tout le temps la configuration courante de la tablette)
– il n’y a pas de hasard
– les joueurs ont les mêmes règles (ils peuvent faire les mêmes « mouvements »)
– le jeu se termine sur la victoire de l’un ou l’autre (pas de match nul)

La règle du jeu est très simple (voir la fiche pédagogique complète) : Deux joueurs prennent tour à tour la tablette. À son tour, un joueur casse (en suivant une ligne ou une colonne) la tablette et rend un des 2 morceaux à l’adversaire. Le joueur qui se retrouve avec (uniquement) le carreau empoisonné a perdu.

Histoire

Ce type d’activité est un exemple d‘activité débranchée, inventé par des chercheurs néozélandais (Bell, Witten, et Fellows 1998) ont mis en place il y a plus de vingt ans un programme d’enseignement des fondements de l’informatique sans ordinateur et le  document libre de droit : « L’informatique sans ordinateur » décrit avec précision la philosophie de cette démarche et propose toute une série d’activités pour les élèves à partir de l’école primaire.

Liens

La fiche pédagogique complète : http://www-sop.inria.fr/members/Nicolas.Nisse/mediation/Jeux/chocolat1.pdf

Plus d’activités débranchées : https://pixees.fr/?s=débranché&orderby=relevance

II-Construction

Plan de l’objet

Matériaux

• 1 planche en contreplaqué 25x20cm de 10mm d’épaisseur
• 120 aimants 25x8x1mm avec une force d’adhérence de 1,1kg
• 1 petit pot de peinture marron
• 1 petit pot de peinture rouge
• Outils : 1 colle cyanolite , 1 mètre et 1 scie sauteuse ou 1 imprimante laser pour plus de précision

Voici le fichier à utiliser avec les formes à découper (le fichier est clair mais contient bien les éléments).

Nous avons trouvé tout le matériel dans un de ces magasins de bricolage usuels.

Montage

• Couper 30 carrés 3x3cm.
• Pour couper à l’imprimante laser il faut créer un fichier avec un logiciel vectoriel afin de dessiner les pièces et pouvoir les imprimer.
• Peindre avec deux couches 29 carrés en marron et 1 en rouge.
• Coller les aimants sur chaque coté des carrés en faisant bien attention à leur polarité afin de constituer une tablette de chocolat 6×5.
• Une fois la tablette de chocolat constituée numérotez chaque carré ou faites un dessins sur 1 face de toute la tablette (donc sur tout les carrés) afin que cela fasses comme un puzzle. Cela vous permettra que si votre tablette se casse , vous pouvez retrouver l’emplacement de chaque carré sans problème.

Ces quelques indications ne vous suivent pas ? Aucun souci : contactez-nous ! Nous serons enchanté·e·s de vous aider à réaliser ces objets.

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