CC BY
12
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
УДК 531.001.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-346-349
РАЗРАБОТКА ТРЕНАЖЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПО МЕХАТРОНИКЕ И РОБОТОТЕХНИКЕ В ЦЕНТРЕ ДОВУЗОВСКОЙ ПОДГОТОВКИ В МОСКОВСКОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ
И.В. Орлов, В.Е. Хроматов
Рассматриваются вопросы организации и проведения занятий по проектированию и сборке простейших робототехнических комплексов учащимися средних школ и студентами Московского энергетического института в лабораториях кафедры робототехники, мехатро-ники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ».
Ключевые слова: робототехнические комплексы, программное обеспечение, наборы конструкторов «Лего», «Знаток».
Центр технологической поддержки образования (ЦТПО) НИУ МЭИ был создан по инициативе и финансовой поддержке департамента образования и науки города Москвы в 2012 году. Цель проекта - развитие научно-технического творчества школьников с использованием современных цифровых технологий и обеспечения непрерывного инженерного образования молодежи столицы. Центр создан на базе кафедры Робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин [1]. В ЦТПО НИУ «МЭИ» проводятся регулярные занятия со школьниками, на которых дети делают первые шаги в мир электроники и радиотехники, получают начальные знания по физике. В процессе занятий ребята знакомятся с элементами электронных и радиосхем, простейшими выключателями и источниками напряжения, с правилами соединения различных элементов. Первые свои схемы они собирают из элементов конструктора «Знаток». Сначала преподаватель рассказывает о правилах работы с конструктором, демонстрирует, как нужно монтировать элементы на наборном поле, затем показывает простейшие детали: проводники, выключатели, электродвигатель, лампочки, светодиоды. Показ сопровождается кратким пояснением о том, как устроена деталь и как обозначается на схеме. С конструктором занимаются учащиеся 5-6 классов. Более старшие ученики занимаются сборкой мехатронных устройств из деталей набора «Лего». Отличительная особенность конструктора — это наличие в его составе программируемого контроллера, датчиков и исполнительных механизмов. Занятия со школьниками с использованием наборов Лего в ЦТПО — следующий этап (после знакомства с конструктором «Знаток») приобщения учащихся к техническому творчеству. Поскольку не все учащиеся имеют представление о том, какие бываю датчики и исполнительные механизмы и как программировать контроллер, чтобы все слажено работало, ребятам предстоит познакомиться с основами робототехники, устройством и принципами работы основных датчиков, основами программирования. В процессе занятий учащиеся собирают конструкции, в составе которых последовательно используются имеющиеся в наборе датчики, обсуждаются алгоритмы работы устройства с каждым датчиком, пишутся программы, позволяющие оживить собранные конструкции и воочию увидеть реакцию механизма на сигналы датчика. Процесс обучения продолжается и от сравнительно простых конструкций учащиеся переходят к сборке более сложных устройств, включающих несколько датчиков и исполнительных механизмов.
346
Теперь перед устройствами ставятся более сложные задачи, выполнение которых зависит от информации, поступающей с нескольких датчиков. Примером такого устройства может служить мобильный робот для участия в робототехническом турнире «Робот в городе», который проводится в ЦТПО. На следующем этапе школьники под руководством преподавателя самостоятельно собирают электронные и робототехнические конструкции, учатся паять и налаживать электронные схемы. Под руководством преподавателей выполняют различные опыты, небольшие научные исследования, начиная от изучения простых физических явлений до создания своими руками технических проектов, используя технологические возможности Центра. Привлечение к таким занятиям развивает у детей интерес к научно-техническому творчеству и получению новых знаний и навыков.
Следующий этап в освоении робототехники - конструирование роботов на базе плат семейства АМшпо для выполнения различных задач. В центре есть наборы деталей и комплектующих для создания различных мобильных роботов. Одно из направлений - это конструирование мобильных мини роботов для участия в турнире «Робот в городе», который проводится в Центре. Турнир проводится два раза в год, его задача способствовать развитию научно-технического творчества школьников в такой современной и быстро развивающейся области как робототехника. Идея турнира достаточно проста. На полигоне на белом фоне нарисована полоса черного цвета, по которой должен двигаться робот, и воссоздан фрагмент городской среды. Каждому роботу необходимо проехать от точки старта до финиша. В этом случае в турнирной таблице фиксируется время прохождения и команде, представившей данный робот за-считывается попытка. Работая над роботами при подготовке к турниру, школьники собирают шасси, изучают работу датчиков, разрабатывают алгоритмы, пишут управляющие программы. Это способствует повышению интереса к научно-техническому творчеству, расширению технического кругозора и, возможно выбору будущей профессии.
2021 год в России был объявлен годом Науки и технологий. В поддержку этому событию конкурс этого года проходил под темой «Робот-исследователь». Участникам предлагалось придумать робота-исследователя, который в обозримом будущем станет помогать ученым разных областей изучать мир вокруг нас. Для участия в конкурсе нужно было придумать и, главное, нарисовать робота в любой доступной конкурсантам технике. Ребята присылали работы, выполненные в карандаше, фломастерами, красками. У кого-то была сильная изобразительная сторона, а кому-то не хватало художественных навыков, чтобы максимально раскрыть свою задумку. Специально для этого каждый рисунок сопровождался кратким описанием идеи. Жюри оценивали все работы по двум номинациям: «Дизайн» и «Концепция». В номинации «Дизайн» в большей степени уделялось внимание внешнему виду робота, его форме и образности. А в номинации «Концепция» предпочтение отдавалось инновационным предложениям. Так как в задании обозначались временные рамки - обозримое будущее - то с большим интересом рассматривались идеи, основанные на реализуемых технологиях.
Сам конкурс проводился в два этапа. Первый этап был отборочным. На него присылались рисунки с описанием. Отборочный комитет выбирал наиболее перспективные работы, а их авторы приглашались к участию во втором этапе. Он проводился в формате защиты своей работы. Участники собирались вместе и демонстрировали свои рисунки, сопровождая его кратким рассказом. У всех была возможность не только посмотреть работы, но и задать вопросы. В конце мероприятия подводились итоги. Новинкой этого года стала церемония награждения, где ребятам победителям были вручены не только Дипломы, но и полезные призы. Целью конкурса, является создание объединяющей платформы технической направленности в робототехнике с художественным началом. Очень интересно наблюдать за творческим поиском юных участников. А собранный в результате иллюстративный материал позволяет не только сфокусироваться на оригинальных решениях, но и спрогнозировать образ будущей робототехники.
На площадке ЦТПО проводятся и другие мероприятия робототехнической направленности для школьников. С каждым годом набирает популярность Демонстрационный экзамен, проводимый по инициативе и поддержке Департамента образования и науки г. Москвы [1]. Экзамен проводится на площадках Центров технологической поддержки образования в том числе и в ЦТПО НИУ МЭИ. В ЦТПО МЭИ экзамен проходит по трем номинациям: «Прототипирова-ние», «Мехатронные системы. Электромеханика» и «Мобильная робототехника. Программирование систем управления». Экзамен проходит в два этапа - дистанционный и очный. Принять участие могут учащиеся старше 12 лет и занимающиеся в ЦТПО по программам углубленного уровня соответствующей направленности (Прототипирование, Мобильная робототехника). Задания на экзамене достаточно серьезные, но что отрадно отметить, многие ребята справляются
Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 11
с ними успешно. Для более юных участников Демонстрационный экзамен - хорошая проба сил, которая придает уверенность и желание продолжать занятия в выбранном направлении. Для старших школьников, которые собираются поступать в ВУЗ (в том числе и в НИУ «МЭИ») - это возможность получить дополнительные баллы к результатам ЕГЭ.
Студенты кафедры РМДПМ не только участвуют в проведении занятий со школьниками и учат их первым навыкам конструирования и создания мобильных роботов, но и сами участвуют в разработке и изготовлении более сложных устройств. Начиная с 1998 года, студенты кафедры участвуют в международных и Всероссийских фестивалях мобильных роботов, что привело к созданию новых технологий подготовки высококвалифицированных специалистов в области робототехники, подготовка которых началась в МЭИ в 1992 году под руководством выдающихся ученых механиков профессоров И.В. Новожилова и Ю.Г. Мартыненко. Так начиная со школьной парты и со студенческой скамьи, студенты начинают конструировать и опробовать в действии и на практике созданные ими роботы. Ежегодно команды студентов кафедры участвуют в научно-технических фестивалях-соревнованиях мобильных роботов в России и за рубежом и занимают там призовые места. Таким образом, начиная с первых шагов работы с детскими конструкторами и продолжая создавать сложные робототехнические устройства можно и нужно привлекать учащуюся молодежь к участию в научно-техническом творчестве.
Образование в 1992 году на Энергомашиностроительном факультете специальности механико-математического профиля «Роботы и робототехнические системы» дало новый импульс в развитии науки и учебно-методического обеспечения на ЭнМФ и в МЭИ в целом. Наряду с конструкторскими и технологическими специальностями в МЭИ на кафедре РМДПМ увеличили приём юношей и девушек, увлекающимися точными науками прикладной механикой и математикой. Начиная с 1998 года, студенты кафедры Теоретической механики и ме-хатроники начинают участвовать в международных и Всероссийских фестивалях мобильных роботов, что по существу привело к созданию новых технологий подготовки высококвалифицированных специалистов в области робототехники. Так, начиная со студенческой скамьи, студенты начинают конструировать и опробовать в действии и на практике созданные ими роботы-автоматы. Ежегодно команды студентов кафедры участвуют в научно-технических фестивалях-соревнованиях мобильных роботов в России и за рубежом и занимают там призовые места. В 2003 году в МЭИ проводились официальные торжества в связи с 25-летием запуска студенческого искусственного спутника Земли (ИСЗ), в разработке и запуске которого участвовала группа сотрудников ЭнМИ и кафедры теоретической механики - А.Е. Булкин, И.В. Новожилов, А.И. Кобрин, И.В. Орлов, В.Е. Хроматов, которые были награждены медалью Федерации Космонавтики России «За заслуги перед отечественной космонавтикой: «25 лет запуска ИСЗ» [2]. Активное занятие научной работой сотрудниками кафедры совместно со студентами даёт возможность им продолжить учёбу в аспирантуре кафедры, выполняя научную работу по грантам Российского научного фонда, Минобрнауки РФ и заказам приборостроительных компаний.
Список литературы
1. Орлов И.В. Занятия по электронике и робототехнике в ЦТПО НИУ «МЭИ» // «Энергетик», газета НИУ «МЭИ», 2020, №10 (3431). С.16-17
2. Хроматов В.Е., Попов Л.Г. Развитие космической программы в научной школе Московского энергетического института// Память о прошлом -2021. X Самарский историко-архивный форум, посвященный 60-летию полета Ю.А.Гагарина в космос, (Самара, 15-20 апреля 2021 г.): сборник научных трудов. -Самара: РГА в г. Самаре, 2021. С. 208-211.
Орлов Игорь Викторович, канд. техн. наук, доцент, OrlovIV@mpei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ»,
Хроматов Василий Ефимович, канд. техн. наук, профессор, KhromatovVY@mpei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ»
DEVELOPMENT OF TRAINING COMPLEXES FOR MECHATRONICS AND ROBOTICS AT THE CENTER OF PRE-UNIVERSAL TRAINING AT THE MOSCOW POWER ENGINEERING INSTITUT
I.V. Orlov, V.E. Khromatov 348
The issues of organizing and conducting classes on the design and assembly of the simplest robotic systems for secondary school students and students of the Moscow Power Engineering Institute in the laboratories of the Department of Robotics, Mechatronics, Dynamics and Machine Strength of the NRU "MPEI".
Key words: robotic systems, software, sets of constructors "Lego", "Expert"
Orlov Igor Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, OrlovIV@mpei.ru, Russia, Moscow, National Research University "MPEI",
Khromatov Vasily Efimovich, candidate of technical sciences, professor, Khroma-tovVY@,mpei. ru, Russia, Moscow, National Research University "MPEI"
УДК 528.71
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-349-352
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫДЕЛЕНИЯ КОНТУРА СКЛАДИРОВАННЫХ
СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Н.А. Беззубов
В статье представлен краткий анализ проблемы измерения объемов сыпучих материалов с помощью беспилотного летательного аппарата, рассмотрены существующие методы определения объемов сыпучих материалов. Составлена обобщенная схема оптико-электронной аппаратуры беспилотного летательного аппарата для фотограмметрии, основанной на встраиваемой системе Raspberry Pi Zero. Проведен эксперимент с захватом видеопотока оптико-электронной системы и последующим распознаванием формы и цвета целевого объекта на видеоизображении в реальном времени.
Ключевые слова: фотограмметрический метод, машинное зрение, машинное обучение, распознавание образов, обработка изображений, шаговый двигатель, встраиваемая система, сыпучий материал.
Введение. Замеры объемов сыпучих материалов являются неотъемлемой частью работы пищевой, цементной, горнодобывающей, металлургической, химической, целлюлозно-бумажной промышленности. Сыпучее сырье составляет значительную часть расходов предприятий и для эффективного его распределения необходимо контролировать объём, который в свою очередь сложно поддается точному учету. Необходимая точность определения объемов в большей степени зависит от стоимости единицы объема материала и может варьироваться от единиц до долей процентов от общего объема материалов. [1].
Традиционным инструментом для определения объёмов сыпучих материалов является геодезическая съёмка (обычно с помощью электронного тахеометра). Основным ограничением при проведении работ с применением тахеометров является низкая скорость измерений и физическая невозможность детальной съёмки больших объёмов материалов. В таких случаях используется фотограмметрический метод измерения с помощью аэросъемки с беспилотного летательного аппарата.
В качестве одной из основных систем сбора и обработки информации на борту беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) используется оптико-электронная система (ОЭС). Проектирование ОЭС БПЛА должно исходить из требований, предъявляемых условиями применения БПЛА, комплексом алгоритмов, подлежащих реализации на борту БПЛА, точностью представления входной и выходной информации.
При реализации задач управления беспилотным летательным аппаратов парадигма решения может формулироваться следующим образом: на основе априорной информации о рассматриваемой сцене (участке склада сыпучего материала) и апостериорной информации о той же сцене, полученной в процессе полета, сопоставляются текущее и эталонное изображения с последующей локализацией на текущем изображении заданных объектов сцены (например, реперы) и определением значений текущих координат этих объектов в целях формирования сигналов управления движением летательного аппарата [2].
349
