Научно-исследовательский проект "Анализ функций сенсорных систем управления на примере игрового конструктора-робота"

Научно-исследовательский проект
"Анализ функций сенсорных систем управления  на примере игрового конструктора-робота "LEGO Mindstorms EV3"

Современный мир невозможно представить без современных технологий. Автомобили, телефоны, компьютеры бытовые приборы – всё это работает при помощи электроники. Электрически приборы каждый год совершенствуются и могут выполнять всё больше задач. Это связано с развитием робототехники.
Я занимаюсь в кружке роботостроения. Это очень интересно и познавательно. В этом кружке мы из специального конструктора строим управляемых роботов, которые могут двигаться и выполнять команды. Мне стало интересно, а как появились эти роботы, и при помощи чего они могут совершать свои действия, выполняя команды.

Целью нашей работы является изучение возможностей сенсорной системы управления роботом.

Задачи:
Изучить историю развития робототехники;
Классифицировать машины по сферам и целям их применения;
Выяснить, что такое “сенсор” и каким образом он применяется при строительстве роботов.
Изучить работу сенсорной системы управления робота на примере конструктора “LEGO Mindstorms EV3”.

Гипотеза: мы предполагаем, что робот при помощи системы излучателей и датчиков сможет выполнить ряд задач, связанных с выполнением физической работы.

Наша работа актуальна для учащихся средней школы, которые интересуются робототехникой. Кроме того, в строительстве роботов объединяются такие науки как физика и биология, многие термины и понятия в них комбинируются. В дальнейшем работу можно будет использовать как наглядное пособие для тех, кто сам захочет больше узнать роботах.
 
Истоки развития робототехники
Робототехника (от робот и техника) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.
Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, телемеханика, информатика, а также радиотехника и электротехника.
Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.
Термин “робот” происходит от словацкого «rabota» (тяжелый труд), создан для того, чтобы заменить человека в самой изнурительной деятельности, опасных средах и ситуациях. Например, искусственные спутники, атмосферные зонды, космические луноходы – все это роботы.
Слово «робот» вышло из-под пера чешского фантаста Карела Чапека, написавшего в 1920 году пьесу “Р. У. Р.” – “Россумские Универсальные Роботы”, которая повествовала о фабрике, производящей искусственных людей.
Идея, однако, совсем не такая новая, как может показаться.
Роботы пришли к нам из древних мифов: это Галатея – статуя прекрасной женщины, оживленная ее творцом Пигмалионом или “Голем” пражского раввина Иегуда Бен Бецалеля.
Первый технический чертеж робота примерно на сто лет опередил легенду о Големе. В 1495 году Леонардо да Винчи спроектировал механического рыцаря, который, впрочем, никогда не увидел полей сражения. Лишь в XVIII столетии появились первые заводные механизмы, подражавшие живым существам. Например, французский математик Жан де Вокансон в 1738 году построил робота, игравшего на флейте.
В конце XIX века русский изобретатель Пафнутий Чебышев представил проект «стопохода» – человекоподобной машины повышенной проходимости. Примерно тогда же другой великий ученый Никола Тесла испытал радиоуправляемое судно (1898), после чего, шествие роботов по миру было уже не остановить.
 

Становление современного использования роботов в жизни людей

В настоящее время робототехника превратилась в развитую область промышленности: тысячи промышленных роботов работают на различных предприятиях мира.
 
Классификация машин по типу управления
С развитием робототехники определились 3 разновидности Роботов:
С жёсткой программой действий;
Манипуляторы, управляемые человеком-оператором;
С искусственным интеллектом (иногда называемые интегральными), действующие "разумно" без вмешательства человека.Возможно объединение роботов первой и второй разновидностей в одной машине с разделением времени их функционирования. Допустима также совместная работа человека с роботами третьего вида (в так называемом “супервизорном” режиме).
Первые роботы имитировавшие движения и внешний облик человека и использовались преимущественно в развлекательных целях.
 
Применение особенностей машин в разных сферах производства
Промышленные роботы - автоматы имеют преимущество перед человеком в скорости и точности выполнения ручных однообразных операций.
Наиболее распространены роботы манипуляторы с дистанционным управлением и "механической рукой", закрепленной на подвижном или неподвижном основании. Оператор-человек управляет движением манипулятора. Роботы снабжаются "телевизионным глазом" - передающей телевизионной камерой.
Часто робот оснащают обучающейся автоматической системой управления. Если такому роботу "показывают" последовательность операций, то система управления фиксирует всё в виде программы управления и затем точно воспроизводит при работе.
Роботы манипуляторы используют для работы в условиях относительной недоступности либо в опасных, вредных для человека условиях, например, в атомной промышленности, где они применяются с 50-х гг. В 60-х гг. появились подводные роботы манипуляторы разнообразных конструкций и назначения: от глубоководных управляемых аппаратов с "механическими руками" (в частности, для захвата образцов породы со дна моря и т. д.) и ползающих по морскому дну платформ с исследовательской аппаратурой до подводных бульдозеров и буровых установок. Подобные манипуляторы применяются и в космонавтике.
В конце 60-х гг. в робототехнике возникло новое научное направление, связанное с созданием интеллектуальных роботов. Такие роботы имеют датчики, воспринимающие информацию об окружающей обстановке, устройство обработки полученной информации (искусственный интеллект) - специализированную ЭВМ с набором программ и исполнительные механизмы (моторную систему).
Действия интеллектуального робота обладают некоторыми признаками человеческого поведения: датчики собирают информацию о предметах окружающего мира, а на основе этих данных искусственный интеллект формирует модель внешнего окружения и принимает решение о последовательности действий робота, которые реализуются исполнительными механизмами.
 
Роботы в современном мире
В современном мире роботы управляют самолётами и поездами, спускаются в жерла вулканов и на дно океана, помогают в строительстве космической станции, в сборке автомобилей и производстве микрочипов, охраняют здания, используются военными для разведки и разминирования, помогают спасателям искать людей под завалами. Нет такой области, в которой человек не попытался создать себе автоматического помощника.
На производстве работают сотни тысяч роботов, но гораздо больше их трудится за пределами фабричных цехов. Автономные роботы, обладающие свободой передвижения, включают в себя автономные летательные аппараты, существуют роботы-сапёры, роботы-газонокосилки, роботы-курьеры, доставляющие лекарства и документы в некоторых больницах, и т. д.
Потребовались значительные достижения в области эффективных моторов, технологий машинного зрения и увеличение вычислительной мощности компьютеров, чтобы появились первые “андроиды” или человекообразные роботы, способные передвигаться, ориентироваться в пространстве и что-то делать, такие как ASIMO и Qrio.
Технологии машинного зрения позволяют роботам (пока ещё не очень хорошо) ориентироваться в пространстве, находить дорогу, распознавать предметы, а также принимать решения и действовать автономно. Роботы могут узнавать людей по лицам и голосам.
Развлекательные роботы появились с выходом на рынок робособаки от компании “AIBO”. Теперь многие игрушки наделяются зачатками интеллекта – процесс, который скоро приведёт к появлению действительно разумных игрушек.
Однако кроме уже готовых роботов существуют и самые настоящие игровые конструкторы, при помощи которых можно собрать настоящего управляемого робота. Например, “LEGO Mindstorms EV3” - конструкторы последнего поколения. На основе этого конструктора мы будем проводить наше практическое исследование.
 
Основы кибернетики и моделирования
Роботизированные машины содержат в основе своей конструкции перечень из следующих систем:
информационно-измерительная (сенсорная) система;
управляющая система;
система связи с человеком или другими роботами;
исполнительная (моторная) система.Сенсорная система — это искусственные органы чувств робота. Как и человеческие, предназначены для восприятия и преобразования информации о состоянии внешней среды и самого робота.
В качестве элементов сенсорной системы робота обычно используются телевизионные и оптико-электронные устройства, лазерные и ультразвуковые дальномеры, тактильные и контактные датчики, датчики положения, тахометры, акселерометры, гироскопы и т. п.
Управляющая система — это «мозг» робота. Служит для выработки управления приводами (двигателями) механизмов исполнительной системы на основе сигналов связи от сенсорной системы, а также для организации общения робота с человеком на том или ином языке. Интеллектуальные способности робота зависят прежде всего от алгоритмического и программного обеспечения его управляющей системы.
Обычно реализуется на базе управляющих ЭВМ, имеющих большой ассортимент входных и выходных преобразователей и каналов связи (от нескольких десятков до нескольких тысяч), по которым, как по нервной системе, могут передаваться дискретные и непрерывные сигналы. Такие ЭВМ строятся в малогабаритном, транспортабельном исполнении и обладают повышенной надежностью. 
Система связи организует обмен информацией между роботом и человеком или другими роботами. Цель такого обмена — формулировка человеком заданий роботу, организация диалога между человеком и роботом, контроль за функционированием робота, диагностика неисправностей и регламентная проверка робота и т. п.
Обычно информация от человека поступает к роботу через устройство ввода или пульт управления. Если раньше чаще всего использовалось физические воздействия (например, нажатие человеком кнопки), то сейчас все шире применяется речевое общение.
От робота к человеку информация, как правило, передается в форме световых и звуковых сигналов. Носителями этой информации являются табло, цифровые индикаторы, дисплеи, телекамеры и т. п. Можно предположить, что в ближайшем будущем общаться с роботом (и с компьютером вообще) можно будет на естественном человеческом языке.
Исполнительная система, определяющая «моторику» робота, т. е. его способности совершать разнообразные движения, служит для отработки управляющих сигналов, формируемых управляющей системой, и воздействия на окружающую среду.
Эти системы находятся в постоянной связи друг с другом. Именно благодаря взаимному функционированию всех систем становится возможной точная работа машины и её механизмов в выполнении поставленных задач.
Совершенствование отдельных деталей и механизмов также играет важную роль в развитии системы в целом. Ориентация в пространстве играет важную роль в способности робота приносить пользу и выполнять задачи. Ведь именно от неё зависит та информация, которую потом должен будет обработать компьютер.
За этот пункт отвечает сенсорная система, а значит и её мы возьмем как основу нашего практического исследования.
 
Обзор конструктора “LEGO Mindstorms EV3”
Данная модель представляет собой многофункциональный конструктор для развлекательного роботостроения. Появилась в широкой продаже в 2013 году.
Универсальность этого конструктора заключается в том, что он может постоянно усложняться, так как за все действия робота отвечает один модуль центрального управления, а остальные детали являются дополняемыми.
Рассмотрим основные модули и их назначение:
Датчик касания. Распознает три условия: прикосновение, щелчок и отпускание.
Модуль EV3. Служит центром управления и энергетической станцией для робота.
Удаленный инфракрасный маяк. Управляет роботом на расстоянии.
Большой мотор. Позволяет запрограммировать точные и мощные действия робота.
Средний мотор. Сохраняет точность и обладает более быстрой реакцией.
Датчик цвета. Распознает семь различных цветов и определяет яркость света.
Инфракрасный датчик. Обнаруживает объекты, а также может отслеживать и находить удаленный инфракрасный маяк.Помимо приведенных сложных модулей есть более простые: части корпуса, крепления, колеса, оси, соединительные кабели, шлейфы и пр.
Сама система робота программируется на определенный алгоритм выполнения действий. Алгоритм - это порядок в котором учтены различные варианты действий при изменении внешних условий.
Робот из конструктора может программироваться на компьютере, так же стандартный набор алгоритмов установлен сразу в модуле центрального управления.
 
Исследование сенсорной системы
Сенсорная система отвечает за ориентацию аппарата в пространстве. Само слово “сенсор” обозначает “датчик”, ”чувство”, ”ощущение”.
Существует большое количество разнообразных датчиков, которые выполняют определенную функцию. Одни помогают отличать освещенные места от темных, другие реагируют на приближении препятствия, а также реагировать на изменение температуры, влажности, высоты, наклона и многих других условий.
В нашем наборе конструктора присутствуют следующие сенсорные датчики:
Датчик цвета — это цифровой датчик, который может определять цвет или яркость света, поступающего в небольшое окошко на лицевой стороне датчика. Этот датчик может работать в трех разных режимах: в режиме «Цвет», в режиме «Яркость отраженного света» и в режиме «Яркость внешнего освещения». В режиме «Цвет» датчик цвета распознает семь цветов: черный, синий, зеленый, желтый, красный, белый и коричневый, а также отсутствие цвета. Эта способность различать цвета означает, что робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он сортировал цветные мячи или кубики, произносил названия обнаруженных им цветов или прекращал действие, увидев красный цвет.
В режиме «Яркость отраженного света» датчик цвета определяет яркость света, отраженного от лампы, излучающей красный свет. Датчик использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый). Это означает, что робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он двигался по белой поверхности до тех пор, пока не будет обнаружена черная линия, или чтобы он интерпретировал идентификационную карточку с цветовым кодом.
В режиме «Яркость внешнего освещения» датчик цвета определяет силу света, входящего в окошко из окружающей среды, например, солнечного света или луча фонарика. Датчик использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый). Это означает, что робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он подавал сигнал утром, когда восходит солнце, или чтобы он прекращал действие, если свет гаснет. Для наибольшей точности при выборе режима «Цвет» или «Яркость отраженного света» датчик следует держать под правильным углом, близко к исследуемой поверхности, но не касаясь ее.
2) Датчик касания — это аналоговый датчик, который может определять, когда красная кнопка датчика нажата, а когда отпущена.
Это означает, что датчик касания можно запрограммировать для действия в зависимости от трех условий: нажатие, отпускание и щелчок (нажатие и отпускание). Используя вводы датчика касания, робота можно запрограммировать таким образом, чтобы он воспринимал мир, как его может воспринимать слепой человек, когда он протягивает руку и реагирует при соприкосновении с чем-либо (нажатие).
Можно построить робота с датчиком касания, который прижат к поверхности под ним. Вы можете запрограммировать робота так, чтобы он реагировал (Стоп!), когда он вот-вот скатится с края стола (когда датчик отпущен). Боевой робот может быть запрограммирован так, чтобы он продолжал двигаться вперед на своего соперника до тех пор, пока соперник не отступит. Эта пара действий — нажатие и затем отпускание — образуют щелчок.
3) Инфракрасный датчик — это цифровой датчик, который может обнаруживать инфракрасный цвет, отраженный от сплошных объектов. Он также может обнаруживать инфракрасные световые сигналы, посланные с удаленного инфракрасного маяка. Инфракрасный датчик может использоваться в трех разных режимах: в режиме приближения, в режиме маяка и в дистанционном режиме.
В режиме приближения инфракрасный датчик использует световые волны, отраженные назад от объекта, для определения расстояния между датчиком и этим объектом. Он сообщает расстояние, используя значения от 0 (очень близко) до 100 (далеко), а не конкретное число сантиметров или дюймов. Датчик может обнаруживать объекты на удалении до 70 см, в зависимости от размера и формы объекта.
В режиме маяка можно выбрать один из четырех каналов удаленного инфракрасного маяка с помощью красного переключателя каналов. Инфракрасный датчик обнаружит сигнал маяка, соответствующий каналу, который вы укажете в своей программе, на удалении примерно до 200 см в направлении перед ним. После обнаружения датчик может оценить общее направление (курс) и расстояние (приближение) до маяка. Используя эту информацию, вы можете запрограммировать робота так, чтобы он играл в прятки, используя удаленный инфракрасный маяк в качестве искомой цели. Направление будет выражено величиной от -25 до 25, при этом 0 указывает, что маяк находится прямо перед инфракрасным датчиком. Приближение будет выражено величинами от 0 до 100.
4) Ультразвуковой датчик генерирует звуковые волны и фиксирует их отражения от объектов, тем самым измеряя расстояние до объектов. Он также может использоваться в режиме сонара, испуская одиночные волны. Кроме того, датчик может улавливать звуковые волны, которые будут являться стартовыми сигналами для запуска программ. При помощи этого датчика становится возможным измерение расстояния в пределах от 1 до 250 см., благодаря чему робот может оценить расстояние до объекта с которым ему необходимо взаимодействовать. Благодаря этому датчику принципы работы ультразвуковой технологии и способы ее применения в автоматических дверях, машинах и заводских системах становятся наглядно понятны.
При помощи этих датчиков на центральный пульт управления поступают сигналы, а он отвечает определенным алгоритмом, который передается на исполнительную систему.
Нашей задачей к практической части было изучение возможностей робота, который применяет для выполнения поставленных задач именно сенсорную систему.
 
Постановка задач и анализ результатов тестирования
Перед началом эксперимента установим ряд задач для тестирования сенсорной системы робота:
Отличить цвет.В этом эксперименте нам необходимо доказать способность нашего робота идентифицировать два цвета: черный и белый. В качестве объекта для испытания мы создадим специальный полигон, на котором будут размещены эти цвета. Роботу необходимо будет постоянно находиться и двигаться в пределах черного круга и не выезжать на светлую территорию.
Найти предмет.На данном этапе мы будем испытывать работу ультразвукового датчика, при помощи которого нашему роботу необходимо будет найти на открытом пространстве предмет и подъехать к нему. Вся сложность данного этапа заключается в особенностях работы ультразвукового сонара. Он способен находить предметы на определенной высоте. В качестве дополнительного задания мы предложим роботу отыскать предмет, находящийся немного выше уровня его датчиков.
Воздействовать на предмет. Здесь мы комбинируем предыдущие задачи. Роботу необходимо будет не только найти предмет, но и вытолкнуть его за пределы ограниченного пространства. Однако самому роботу будет запрещено пересекать ограниченную территорию.
После того как мы определили все задачи, для проведения испытания робота мы преступаем к его сборке.
Прежде всего мы прикрепляем колёса к электродвигателю. К одному двигателю можно прикрепить два колеса, что в некоторых модификациях увеличивает устойчивость конструкции. Однако в нашей сборке будет достаточно одного колеса.
Для соединения механических и электронных модулей используются детали каркаса- балки. Они бывают разной длины и цвета. Скрепляются балки между собой специальными соединителями, которые очень прочно удерживают их между собой.
Далее устанавливается рулевое колесо. Оно необходимо для сбалансированного движения аппарата при разворотах. Рулевое колесо представляет собой металлический шар в специальном держателе, что позволяет ему вращаться в разных направлениях.
Для того, чтобы робот ориентировался в пространстве, а именно определял изменение цвета, мы устанавливаем на каркас датчик света и цвета. Особенность нашей конструкции состоит в том, что этот датчик мы устанавливаем в нижней части робота. Это необходимо из-за того, что робот будет определять границы цвета поверхности, по которой будет ездить.
Самая основная и самая необходимая часть в нашей конструкции - это блок ЦПУ. Именно в него будут загружены команды и перечни действий, которые нашему роботу необходимо будет выполнить.
Все команды загружаются на модуль при помощи компьютера, USB-кабеля и специальной программы, которая поставляется сразу с конструктором. Предварительно модуль заряжаем.
В качестве аппарата для механического управления роботом мы выбираем датчик касания. Он необходим для включения команды выполнения программы.
Для выполнения “зрительной” функции нашего робота мы устанавливаем ультразвуковой датчик. Принцип его работе строится на том, что датчик создает и испускает звуковые волны высокой частоты, а потом при помощи специального микрофона ловит их отражение от окружающих предметов. Мы знаем, что звук имеет определенную одинаковую скорость распространения. Если расстояние до предметов разное, то и звук будет возвращаться обратно за разное время. Ультразвуковой датчик учитывает эту разницу во времени, и передает эту информацию на ЦПУ, где она обрабатывается.
Из разницы времени, с которым вернулся звук и создается определенная картинка, которая позволяет роботу видеть. Такая система ещё называется “сонар” и используется в подводных лодках, самолетах или дельфинами и летучими мышами для путешествий в темной среде.
Кроме того, мы имеем инфракрасный датчик, который реагирует на изменение температуры и обычно активизируется при помощи специального маяка. Но в нашем эксперименте мы его использовать не будем.
Наш робот собран и готов к испытаниям. Мы включаем его и первые несколько секунда наблюдаем, как он настраивает свои датчики.
Кроме того, нами был подготовлен специальный полигон для испытания робота. Он представляет собой лист картона, с нарисованным на нём кругом ∅ 72 см для роботов массой до 1 кг и размеров в плане 15х15 см.
В качестве предметов, с которыми будет необходимо взаимодействовать нашему роботу, мы выбрали резиновый мяч и мягкую игрушку.
 
Анализ результатов тестирования
Наглядно увидеть ход проведения эксперимента вы можете увидеть в презентации к нашей работе.
В ходе эксперимента мы наблюдали некоторые особенности поведения робота. Во-первых, робот реагировал на команду сразу, без задержек. Однако в некоторых случаях ему необходимо было некоторое время для анализа пространства, в котором он находится. Это могло случиться потому что эксперимент мы проводили в достаточно “домашней” обстановке, где вещи и предметы находились на достаточном расстоянии. Это и могло сбивать настройки системы.
Во-вторых, робот очень часто реагировал именно на экспериментаторов, однако это всего лишь из-за того, что нам было необходимо находиться по близости, чтобы переключать команды на пульте ЦПУ. А теперь перейдем к пунктам выполнения задач.
С задачей номер 1 робот справился. При помощи датчиков цвета ему удалось оставаться внутри круга.
Фотоэлементы в датчике света и цвета среагировали на изменение цвета отраженного света и с генерировали электрический импульс, который был передан в компьютер и опознан им, как сигал для выполнения запрограммированных команд. Роботу было установлено находиться строго в пределах черного круга. На границе между черным и белым цветом робот резко останавливался и отъезжал назад, ища другое направление.
С задачей номер 2 робот справился. При помощи ультразвукового датчика робот обнаружил противника.
В процессе поиска робот несколько раз поворачивался вокруг себя, что необходимо было для оценки ситуации. Как было сказано выше, некоторые предметы в комнате несколько раз сбивали систему, и робот ехал в их сторону. Но в итоге ему всё же удалось найти ближайший предмет. Однако этот опыт получился с первого раза именно с резиновым мячом. Что касается мягкой игрушки, то роботу не сразу удалось её обнаружить, а лишь после того, как ультразвуковой датчик был поднят выше. Мы считаем это связано с тем, что мягкая игрушка находилась основной своей частью немного выше уровня на котором работал сонар, а значит излучаемый звук мог проходить, либо рассеиваться. Возвращающегося сигнала было не достаточно для реагирования системы.
С задачей номер 3 робот справился. Развернулся при помощи независимых управляемых двигателей в сторону противника. Включив на полную мощность оба двигателя поехал в сторону противника и вытолкнул его за пределы круга.
Компьютер получил сигналы от датчиков и процессор в компьютере преобразовал их в команды, которые должны выполняться по сценарию программы, а именно подал сигнал на двигатели, которые стали вращать колеса в разные стороны и развернули робота в сторону противника, после чего подал команду, чтобы двигатели вращали колеса в одну сторону, до тех пор, пока противник не будет вытолкнут из круга.
В ходе эксперимента мы доказали нашу гипотезу полностью. Роботу удалось при помощи датчиков найти предмет и воздействовать на него. Все задачи были выполнены практически без сбоев. Однако следует учесть такой момент. Роботу было необходимо некоторое время для того чтобы сориентироваться в пространстве, а ещё он несколько раз сбивался, когда целей оказывалось слишком много.