Мини-робот как базис развития образовательного процесса в интеллектуальной робототехнике

Робототехника является одним из передовых и динамично развивающихся синергетических направлений науки и техники. В частности, робототехника – междисциплинарное направление, занимающаяся разработкой автоматизированных технических и производственных систем, является важнейшей технической основой интенсификации производства. Развитие робототехники требует одновременного развития нескольких направлений, в том числе и одно из ключевых направлений – технологий проектирования интеллектуальных систем управления (ИСУ) [1-3].

Сейчас с раннего возраста жизнь наполнена различной высокотехнологичной техникой и информационными источниками, однако, курсы информатики и информационных технологий в школе сильно отстают от темпов развития и внедрения этих технологий в нашу жизнь. К сожалению, образовательная программа высшего образования Советского Союза с распределением после окончания ВУЗа, не была в должной степени адаптирована под изменения реалий современное состояние рынка труда. Как следствие, сейчас все чаще выпускники вузов не работают по своей специальности, а ценность высшего образования существенно снижена. Напротив, этот опыт удачно прижился и видоизменился в передовых странах мира (Японии, Финляндии, и мн. др.). Компании и корпорации, заинтересованные в высококвалифицированных специалистах, сотрудничают со школами и университетами с целью подготовки кадров. Более того, обучающиеся целенаправленно проходят образовательные программы зная, что в дальнейшем эти знания и умения пригодятся в профессиональной деятельности. Важной отличительной особенность является то, что образовательные программы основаны на самых современных информационных технологиях, а исследования учащихся являются средством развития этих технологий с дальнейшей апробацией в компаниях участниках такого альянса сотрудничества.

Зарубежное состояние развития образовательной робототехники показывает, что, например, в Японии, предмет «программирование» включен в образовательную программу начальных классов. Программа средней школы включают подготовку на моделях автономных роботов, андроидов, манипуляторов и простых систем стабилизации. Направления высших учебных заведениях связано с развитием технологий проектирования и разработки программного обеспечения для новых роботизированных систем. Самыми популярными и представительными будут примеры Питтсбурского ( Pittsburgh ) и Стэнфордского ( Stanford ) университета. Результатами такой работы стали операционные системы для роботов (ROS) и всевозможные запатентованные алгоритмы и программные комплексы обработки информации, представляющие коммерческую привлекательность.

На рис. 1 представлен учебно-исследовательский робот «мобильный манипулятор» этих университетов (HERB: Home Exploring Robotic Butler [4] и STAIR: STanford Artificial Intelligence Robot [5] и мн. др.) являющиеся источниками для создания новых информационных технологий и программных продуктов.

HERB

STAIR

1960 – 1970 гг.

2005 - 2010 гг.

2010 - 2015 гг.

Рис. 1. Роботы ведущих университетов

Очевидно, что для создания образовательных лабораторных роботов и программ передовые университеты не используют унифицированные конструкторы и комплектующие. Для этих целей приобретается самое современное оборудование - видео и тепло камеры, лазерные радары, манипуляторы, двигатели и платы, развивают свое программное обеспечение. Именно, огромное изобилие самых современных сенсоров, вычислительных машин и исполнительных механизмов, позволяют создавать все новые и более совершенные алгоритмы обучения, адаптации и самоорганизации интеллектуальных систем. Каждая из таких технологий закладываемое в конечно изделие является объектом интеллектуальной собственности и подлежит тщательной защите.

Результаты применения таких работ воплотились в появление специализированных программных инструментариев для проектирования систем управления. В свою очередь создание открытых библиотек на базах этих инструментариев позволило привлекать огромный класс специалистов и исследователей, для программно-аппаратного интерфейса, что дает толчок развитию архитектуры технологий, инструментариев и продуктов коммерческой собственности.

В средних и старших классах наступает этап подведения промежуточных профессиональных итогов, когда человек задумывается о перспективах и отвечает на многие важные для себя вопросы о будущем в профессии и желательном направлении дальнейшего развития. В ближайшее время навыки программирования будут необходимы практически для любой деятельности в сфере ИТ, а одним из наиболее интереснейших способов получить такие навыки является образовательная робототехника, где на занятиях ученики работают, как с механическими, так и с электрическими устройствами, заставляя их выполнять написанные программы.

Одним из способов подготовки людей к будущей профессиональной деятельности в сфере высоких технологий и уменьшение колоссального отставания в сфере информационных технологий - является развитие образовательной интеллектуальной робототехники.

В интернете представлено множество открытых примеров образовательных роботов, некоторые из них представлены на рис. 2:

Рис. 2. Примеры образовательных роботов

Курс образовательной робототехники, проводимый в университете «Дубна», основан на концепции интеллектуального робота-тренажера (рис. 3) [1, 3] и включает в себя:

• 1.    современные технологии проектирования робототехнических систем и систем интеллектуального управления, разрабатываемые и исследовательской лаборатории;

• 2.    макеты и модели робототехнических систем, созданные учащимися [6];

• 3.    программные инструментарии проектирования интеллектуальных систем управления, инструментарии математического моделирования и 3 D -проектирования технических систем [7].

Рис. 3. Структура интеллектуального тренажера

В процессе обучения учащиеся реализую проект от идеи создания робота, до выпуска макета и представления результата в виде участив в конференции и публикации статьи. В процессе работы учащиеся моделируют и изготовляют отдельные комплектующие детали роботов, печатные платы. Участвуют в построении математической модели робота и системы управления.

Важно отметить, что каждый участник работает со своим набором комплектующих, что позволяет продолжать выполнения работы и в свободное от занятий время. Проводятся занятия в специализированном кабинете.

В качестве среды программирования выступают Arduino ( C ++) для программирования микроконтроллеров, ROS ( C ++, Python ) для программирования автономного поведения робота (навигация, распознавание, частично дистанционное управление), Matlab для математического моделирования (движение робота). Отметим, что эти среды программирования включают в себя возможность подключения модуля для Lego Mindstorms NXT (что показывает возможность масштабирования образовательного процесса и на конструкторы Lego ) [2, 3].

В образовательном процессе ученики знакомятся с методами и средствами разработки и реализации программных продуктов, учатся работать с подключаемыми библиотеками, знакомятся с типами данных, массивами, структурами, классами, объектами, формируют начальные навыки программирования.

Образовательный процесс включает в себя лекционные занятия, семинары и лабораторные практикумы, последовательно раскрывающих возможности программных инструментариев вычислительных систем. Компьютер рассматривается как инструмент в должной степени детализации архитектуры и операционных систем.

Так, целью образовательного процесса со школьниками стало:

• -    профессиональная ориентация в подготовка учеников;

• -    формирование и развитие навыков работы с языками программирования высокого уровня, работы с программными инструментариями моделирования и дизайна;

• -    стимулирование самоорганизации и самообразования в области информационных технологий;

• -    получение навыков для эффективного обучения в университете и ведение научной деятельности;

• -    ознакомление учеников с возможностями объектно-ориентированных языков программирования и развитие навыка программирования на языках высокого уровня ( C ++, Java , C #);

• -    развитие понимания базовых принципов теорией автоматического управления и теории информации, электротехники и мехатроники на примере робототехники;

• -    ознакомление учащихся с современными методами и средствами проектирования программного обеспечения для роботов в том числе интеллектуальных систем ;

• -    стимулирование интереса к технике, конструированию, программированию, новым информационным технологиям;

• -    формирование навыков подготовки презентационного материал, выступления на конференциях, написание публикаций (на русском и английском языке), участие в всероссийских и международных конкурсах и мероприятиях;

• -    развитие навыков коллективного труда и работы в команде, работы на результат и персональной ответственности;

• -    стимулирование саморазвития и самоорганизации учащихся.

При этом постепенное освоение материала наслаивается на более серьезные задачи из области робототехники:

• -    дистанционно управляемый робот;

• -    робот дистанционного присутствия;

• -    робот-манипулятор;

• -    обработка изображения и распознавание образов;

• -  мини-робот с манипулятором;

• -    автономный робот с навигационной системой ;

• -    взаимодействие группы роботов.

В качестве базиса представленного образовательного процесса выступает мини -робот дистанционного управления. Рассмотрим подробнее этот этап.

Аппаратная реализация мини-робота

На рисунке 4 представлена аппаратная реализация мини-робота. Центральным элементом является микроконтроллер Arduino, на базе процессора ATmega с тактовой частотой 16 МГц. Для питания робота используется батарея 9 вольт. Управление двигателями реализуется через драйвер двигателей L 298 N .

Рис. 4. Аппаратная реализация мини-робота

В качестве среды передачи данных рассматривались различные варианты дистанционного управления. Например, XBee - это модуль, дающий вашему устройству возможность использования протокола ZigBee. Другой вариант это один из самых популярных и распространенных методов обмена данными посредством Bluetooth. Инфракрасные лучи ( IR ) - самый дешевый способ для удаленного управления устройством в невидимом диапазоне света. Работа над приёмом и передачей данных по Wi - Fi , для взаимодействия с сырым TCP -сокетом или с serial -портом компьютера.

В качестве среды передачи данных был выбран Bluetooth модуль, так как это довольно простой в реализации, самый доступный и понятный модуль и для данного проекта.

Программная реализация Arduino и приложение Android

В данном проекте использовалось несколько Bluetooth -приложений для отправления различных символов на приемник и тестирования работы программы и робота в целом. Вначале использовался обычный классический Bluetooth- терминал для передачи отдельных символов и получения ответа. Так в командной строке тестировалось приложение. Далее использовался Bluetooth -терминал в виде пульта, у которого на каждую кнопку прописан отдельный символ - команда (рис. 5).

Рис. 5. Структура программной реализации

В качестве протокола передачи данных использовался протокол UART ( Universal asynchronous receiver transmitter ) или, по-русски, (универсальный асинхронный приемопередатчик) - старейший и самый распространенный на сегодняшний день физический протокол передачи данных. Наиболее известен из семейства UART протокол RS -232 ( COM -порт). Это, наверное, самый древний компьютерный интерфейс. Он дожил до наших дней и не потерял своей актуальности. В данной работе мы использовали 2 линии СОМ -порта: ТХ -отправка и RX -прием данных.

Рис. 6. Мини-робот

В качестве среды разработки использовалось Arduino IDE , в которой была написана программа на языке С ++ с подключением библиотек управления двигателями и управления COM -портом. На рисунке 5 справа, представлен псевдокод реализованной программы.

Выводы

Необходимость подготовки специалистов в области интеллектуальных систем управления и робототехники требует организации инновационного процесса обучения с привлечением наукоемких информационных технологий проектирования интеллектуальных систем управления. В университете «Дубна» уже разработаны и активно внедряются современные технологии образовательной робототехники на базе концепции интеллектуального тренажера.

Разработка и апробация технологий проектирования интеллектуальных систем управления сопровождается выполнением дипломных работ в рамках разработанных технических задания для бакалавров и магистров. Активное участие школьников позволяет формировать креативный и активный процесс развития данного направления.

Так, для обучающихся результатами работы данного этапа стало:

• -  мини-робот дистанционного управления (рис. 6);

• -    приобретены начальные навыки программирования на языке С++;

• -    знакомство с элементами аппаратной реализацией роботов;

• -    опыт работы в научно исследовательской группе.

Таким образом реализуется инновационный креативный образовательный процесс по индивидуальной траектории обучения школьников.