Атты студенттердің IV жоо аралық дәстүрлі ғылыми конференциясының ЕҢбектері

299 

 

Google by their invention of programming model called Map and Reduce paradigm. They are using this 

technology  on  daily  basis  to  analyze  search  results  received  from  billion  users. 

 

 

There are few frameworks which are designed for distributed computation and Hadoop is one of 

them. Apache Hadoop software library is a framework allows for the distributed processing of large data 

sets  across  clusters  of  computers  using  simple  programming  models.  It  is  designed  to  scale  up  from 

single  servers  to  thousands  of  machines,  each  offering  local  computation  and  storage  [1].  Hadoop 

framework  has   name  nodes,  which  are  replicating  the  data  across  clusters  in  order  to  handle  defect 

occurred on some clusters.  

 

Figure 1 Scheme of three maps running simultaneously on distributed system Hadoop 

 

 

Programming model of Hadoop is based on MapReduce algorithm. Map function is filtering and 

sorting  input  data,  then  Reduce  function  is  performing  summary  operation  on  data  received  by  Map 

function. MapReduce model is implemented by Google and successfully used on their data centers to 

analyze  data  [2].  Unfortunately,  framework  created  by  Google  is  not  open  sourced,  on  other  hands, 

source  code  of  Hadoop  is  open  sourced,  which  gave  high  popularity  among  developers.  

 

 

Because Hadoop framework is running on JVM(Java Virtual Machine), it can be easily deployed 

onto other clusters with low capacity of performance on those clusters. It is not required to write program 

on  native  Java  API,  but  also  it  support  other  programming  language  such  as  python,  C++,   ruby  for 

writing MapReduce functions thanks to the API provided by Hadoop framework. This feature gives as 

ability to use OpenCV library for image processing task. Common task on image processing phase is to 

obtain  valuable  information  by  applying  mathematical  functions  on  satellite  images.  Also  there  is  a 

"Hadoop Image Processing Interface" introduced by Virginia university, which provides an easy API 

for performing image processing tasks in a distributed computing system environment [3]. 

300 

 

 

Figure 2 A typical MapReduce pipeline using our Hadoop Image Processing Interface with n images, i map nodes, and j reduce 

nodes 

 

Satellite  images  have  many  applications  in  meteorology,  oceanography,  fishing,  agriculture, 

biodiversity  conservation  ,  forestry,  landscape,  geology,  cartography,  regional  planning,  education  , 

intelligence and warfare [4]. By providing valuable information obtained from agricultural and geology 

data, it can lead to economical benefits for our local economy. Each day Terra Satellite launched by the 

NASA capturing images of Earth in format with 36 spectral bands called "Moderate-Resolution Imaging 

Spectroradiometer"[5].  This  MODIS  data  can  be  received  in  real-time  and  freely  available  on  the 

Internet with FTP archives on the web server of NASA. MODIS data can be exported as TIFF and JPEG, 

which would be low quality, image file. 

 

Figure 3 Input satellite image on the left side and output image processed by OpenCV library to filter green spaces from input 

data on the right side.

 

Conclusion 

 

General  problem  of  satellite  image  -  amout  of  data  generated.  Even  if  take  our  country, 

Kazakhstan has 2,724,900 km

2

 of total area, capacity of data is very huge to process. But within these 

huge data, we have very valuable information for our agricultural and geological industry. Agriculture 

needs  information  about  precipitation  and  crop  area  of  farming,  and  geology,  key  industry  of 

Kazakhstan's  economy,  needs  information  about  situations  in  extracting  area  of  fossil.  Providing 

relevant information from satellite images would be beneficial for them to improve rapidly. 

Problem and its solution 

301 

 

 

Performance of distributed system can be increased by connecting more clusters of computer, 

and  it  is  important  to  note  that  imported  data  are  distrusted  automatically  by  this  system.  So  in  the 

conclusion,  we  can  assume  that  by  writing  effective  MapReduce  programs,  we  can  simply  solve 

different kinds of task and do not have to worry about anything else to accomplish our processing with 

large amount of data sets. 

 

 

Traditional image processing algorithms are not optimized for distributed system. Most image 

processing algorithm are made for single core tasks thus we would require to write image processing 

algorithms optimized for distributed system. This problem will be the hardest task on this diploma work 

and  need  to  be  done  carefully  in  order  to  not  destroy  key  functionallity  of  the  distributed  system    - 

MapReduce. 

 

References: 

1.

 

APACHE, 2014. Hadoop mapreduce framework.  https://hadoop.apache.org/ 

2.

 

Jeffrey Dean and Sanjay Ghemawat, 2013. MapReduce: Simplified Data Processing on Large 

Clusters. 

http://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/en//archive/mapreduce-

osdi04.pdf 

3.

 

Chris Sweeney, Liu Liu, Sean Arietta, Jason Lawrence, 2011. University of Virginia. HIPI: A 

Hadoop Image Processing Interface for Image-based MapReduce Tasks. 

http://cs.ucsb.edu/~cmsweeney/papers/undergrad_thesis.pdf 

4.

 

Air & Space magezine. Tony Reichhardt, 2006. First photo from space 

http://www.airspacemag.com/space/the-first-photo-from-space-13721411/?no-ist= 

5.

 

National Aeronautics and Space Administration, 2014. About MODIS 

http://modis.gsfc.nasa.gov/about/ 

 

 

УДК 62-047.58(079) 

 

УЧЕБНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ В ИНЖЕНЕРНОЙ 

ПОДГОТОВКЕ БАКАЛАВРОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ИНФОРМАТИКА» 

 

Жилкибаева А. Б., студент 

ЕНУ им. Л. Н. Гумилева 

 

Аннотация:  Действующие  учебные  роботы  практически  изучены  и освоены  персоналом 

кафедры  «Информатики»  и  лаборантами  УЛЦ  ФТН  ЕНУ  им.  Л.  Н.  Гумилева,  где  проводятся 

исследования по изучению динамики движения конструкции робота. Результаты исследований 

позволили подготовить к выпуску учебно-методический материал по выполнению лабораторных 

работ дисциплин образовательных программ. 

Ключевые слова: Информатика, робототехника, динамика движения робота, лабораторная 

работа, образовательная программа. 

 

Аңдатпа:  Л.  Н.  Гумилев  атындағы  ЕҰУ  «Информатика»  кафедрасының  ұжымы  мен 

физика-техникалық  ғылым  бойынша  құрылған  зертханалық  орталықтың  зертханашылары  оқу 

302 

 

роботтарын  толық  игеріп,  тәжірибе  жүзінде  қолданады.  Зертханада  робот  кешені 

конструкцияларының  қозғалу  динамикасын  зерттеу  жұмыстары  іске  асырылуда.  Зерттеулер 

нәтижесі білім бағдарламаларының әр пән бойыгша зертханалық жұмыстарды орындауға керекті 

оқу-әдістемелік материалды дайындауға себебін тигізді. 

Түбірлі сөздер: Информатика, робототехника, қоғалыс динамикасы, зертханалық жұмыс, 

білім бағдарламасы. 

 

Summary: The operating educational robots are almost studied and mastered by the personnel of 

Informatics chair and laboratory assistants of ULTs FTN ENU of L. N. Gumilev where researches on 

studying  of  dynamics  of  the  movement  of  a  design  of  a  robotic  complex  are  carried  out.  Results  of 

researches  allowed  preparing  for  release  educational  and  methodical  material  on  performance  of 

laboratory works on appropriate sections of disciplines of educational programs. 

Keywords:  Informatics,  robotics,  dynamics  of  the  movement  of  the  robot,  laboratory  work, 

educational program. 

 

Отток казахстанских инженерных и научных кадров по информатика за рубеж и обвальное 

падение  финансирования  образования  в  последние  20  лет  привели  к  острой  нехватке 

квалифицированных инженерно-технических кадров и научных работников, способных решать 

современные  ИТ  задачи  научно-технического  прогресса  страны.  Теперь  в  Казахстане 

высказываются  о  формулировке  приоритетных  задач  государственного  уровня  включить 

подготовку  высококвалифицированных  инженерно-технических  работников  и  привлечение 

молодежи к научным исследованиям. 

Для казахстанской экономики подготовка востребованных на рынке труда специалистов по 

физико-техническим 

направлениям 

(Информационно-коммуникационные 

технологии, 

Информатика,  Автоматизация  и  управление,  Вычислительная  техника  и  программное 

обеспечение,  Радиоэлектроника  и  телекоммуникаций,  Космическая  техника  и  технология, 

Альтернативная энергетика, Мехатроника и робототехника) является реализуемой задачей. Для 

этого  сейчас  всемерно  проводится  аккредитация  образовательных  программ  (ОП) 

специальностей  на  уровне  высшего  образования,  где  главной  задачей  является  проблема 

представления аккредитационному органу материально-технической базы университета. 

ЕНУ им. Л. Н. Гумилева согласно своей стратегии завершает этап аккредитации ОП почти 

всем  специальностям  физико-технического  направления.  В  статье  рассматривается  задача 

создания  новых  лабораторных  центров  и  учебных  лабораторий,  где  аккумулируются  учебное 

оборудование  в  виде  материально-технической  базы  аккредитованных  ОП,  в  частности,  ОП 

кафедры  Информатики  (www.enu.kz).  На  кафедра  решена  проблема  обеспечения  учащимся 

учебных  лабораторий,  например,  в  этом  году  запущен  в  учебный  процесс  для  проведения 

лабораторных  занятий  учебно-робототехнический  комплекс  (юридический  корпус,  706  ауд, 

корпус ЦИСИ, 4 этаж, ауд. 401).  

Тем  более  это  решение  относится  к  уровню  дальнейшего  инновационного  развития 

образовательных  услуг  нашего  университета,  в  виде  выбора  современного  формата  по 

перестройке  учебно-лабораторных  центров  (УЛЦ)  с  использованием  в  учебном  процессе 

разнообразных  по  применению  и  составу  гибких  производственных  систем  (ГПС)  и  средств 

робототехники современного уровня /1, c. 28/. 

Однако  дороговизна  компонентов  ГПС  и  проблемы  доступа  к  ним  на  казахстанских 

предприятиях  не  позволяют  надлежащим  образом  решить  комплексную  задачу  подготовки 

современных  кадров.  В  современном  формате  ставится  задача  организации  обучения 

выпускников  бакалавриата  технологиям  проектирования  и  эксплуатации  автоматизированных 

систем,  программным  и  техническим  средствам  автоматизации  технологических  процессов  и 

производств  на  основе  как  трехмерных  цифровых  симуляционных  моделей,  так  и  натурных 

303 

 

моделей  компонентов  и  в  целом  ГПС,  создаваемых  на  базе  комплектующих  учебных 

робототехнических  наборов.  Хотя  бы  можно  начинать  осваивать  основных  доступных 

компонентов 

ГПС, 

широко 

описанных 

в 

http://www.robotshop.com 

или 

http://www.robotshop.com/sensors.html,  и  инженерных  сред  разработки  программного 

обеспечения в этом направлении /2, c. 97/. 

Новые  возможности  в  организации  виртуальной  реальности,  работы  производств, 

автоматизированных систем промышленной и образовательной сферы, глобальных физических 

и виртуальных сетей открываются с использованием человеко-машинного интерфейса на основе 

беспроводной биологической обратной связи. Она обеспечивается в реальном масштабе времени 

информацией,  извлекаемой  из  сигналов  организма  человека,  в  том  числе  и  из 

электроэнцефалографических сигналов. 

В последние десять лет  наблюдается использование образовательных робототехнических 

конструкторов  во  многих  зарубежных  учебных  заведениях.  Это  ныне  стало  проявляться  и  в 

казахстанских учебных заведениях различного уровня. 

На кафедре «Информатики» ЕНУ им. Л. Н. Гумилева уже запущена учебная лаборатория по 

робототехническому  комплексу  с  целью  их  использования  в  учебном  процессе  университета. 

Персоналом кафедры задуман выпуск нескольких лабораторных практикумов, ориентированных 

на  обучение  обучающихся,  прежде  всего,  натурному  модельному  представлению  различных 

технологических  процессов  и  производственных  систем,  включая  робототехнические 

комплексы.  Учебная  лаборатория  с  января  2015  года  тесно  сотрудничает  с  новым  учебно-

лабораторным  центром  физико-технических  наук  университета  с  целью  полного  освоения 

возможностей Центра LabVIEW американской компании National Instruments. 

На  перспективу  ставится  задача  организации  обмена  информацией  между  цифровыми 

устройствами  звеньев  комплекса  по  беспроводным  каналам  с  многодиапазонными 

мультимедийными  гаджетами  (в  их  числе,  Android-устройствами  и  смартфонами  типа  Apple 

iPhone). Предусмотрено также знакомство с принципами организации и использования человеко-

машинного  интерфейса  виртуальных  миров,  виртуальных  3-мерных  производств,  систем 

автоматизации на базе беспроводной электроэнцефалографической обратной связи. 

Для  достижения  стратегических  целей  университета  по  внедрению  достижений 

робототехники  в  учебный  процесс  по  бакалавриату  используются  механические  детали  и 

электронные комплектующие таких типовых образовательных наборов робототехники как  IE-

Robo-PICA  компании  Inex  Innovate  Experiment  фирмы Inex  и  MindStorms  NXT  компании Lego 

Group и их опциональные компоненты, а также элементы дополнительного набора Pneumatics 

Add-On Set компании Lego Group и беспроводное многоканальное электроэнцефалографическое 

устройство Emotiv EPOC фирмы Emotiv Systems /3, c. 36/. 

Например, компания Lego Group выпускает различные робототехнические образовательные 

наборы,  начиная  с  1998  года.  Ныне  робототехнические  наборы  различных  зарубежных 

производителей  удобны  для  активизации  креативных  способностей  обучаемых  и  повышения 

качества обучения по множеству дисциплин, в том числе ориентированных для изучения основ 

и  моделирования  измерительных  и  электромеханических  преобразователей,  электроники, 

радиотехники,  программирования  (низкоуровневого  и  высокоуровневого  текстового  и 

графического),  мехатронных  устройств,  стационарных  и  мобильных  роботов,  управления 

группой мобильных роботов на интеллектуальных вычислениях, кинематики и схемотехники, а 

также  симуляции  работы  устройств  в  трехмерном  виртуальном  пространстве,  в  среде 

виртуальной реальности /4, c. 102/. 

Кафедра  «Информатики»  владеет  компонентным  составом  и  инструментальными 

программными  средствами  образовательных  наборов  IE-Robo-PICA  компании  Inex  Innovate 

Experiment  и  фирмы  Inex,  MindStorms  NXT  компании  Lego  Group  с  ПО  LabVIEW  с 

опциональными компонентами, а также элементами дополнительного набора Pneumatics Add-On 

304 

 

Set  компании  Lego  Group.  Сейчас  готовится  к  публикации  сборник  лабораторных  работ  по 

робототехнике  для  проведения  лабораторных  занятий  на  учебной  площади  УЛЦ  и  учебной 

лаборатории кафедры «Информатики». В состав набора IE-Robo-PICA (компания Inex Innovate 

Experiment)  входят  механические  комплектующие  (набор  гусеничных  деталей,  универсальная 

монтажная  плата  с  цветными  пластиковыми  крепежными  пластинами,  винты,  гайки,  шайбы, 

шурупы, стойки и втулки); плата RBX-887 с электронными компонентами, ЖКИ-индикатором и 

отсеком  питания;  приемопередающие  устройства:  инфракрасный  приемник  ZX-IRM  и 

четырехкнопочный  инфракрасный  пульт  дистанционного  управления  ER-4;  плата 

программатора Innovative Experiment IE-PX-200 с интерфейсами обмена данными ICD2 и USB; 

два  коллекторных  микродвигателя  постоянного  тока  с  редуктором,  IE-BO2-48M;  типовой 

комплект  датчиков,  включающий  ИК-рефлектор  ZX-03  для  обнаружения  ИК-отражений  в 

ближней  зоне,  цифровой  ИК-дальномер  на  базе  датчика  Sharp  модели  GP2D120,  контактный 

переключатель ZX-01 /5, c. 78/. 

Комплект может быть расширен за счет других компонентов американской компании NI и 

оценочных плат других компаний, например, Parallax (http://www.parallax.com) и Devantech Ltd 

(Robot Electronics) (http://www.robot-electronics.co.uk/index.html). 

Разработка  встраиваемого  программного  обеспечения  для  натурных  моделей  различных 

устройств  на  базе  PIC-микроконтроллера  PIC16F887  обеспечивается  инструментальной 

системой,  поддерживающей  графический  язык  программирования  LabVIEW,  и  программным 

обеспечением программатора (компания mikroElektronika, 

http://www

. microe.com). Среди них – 

micro  C  for  PIC  (интегрированная  графическая  среда  разработки  С-программ)  и  PICkit2 

Programmer соответственно. 

Робототехнический конструктор Lego MindStorms NXT включает следующие элементы: 

−  конструкторский  набор  сопрягаемых  деталей  для  сборки  механических 

робототехнических конструкций; 

−  типовой  комплект  датчиков,  определяемый  моделью  набора  (например,  в  наборе  типа 

8527  —  аналоговый  контактный  датчик  касания  (Touch  Sensor),  датчик  звука  (Sound  Sensor), 

аналоговый  датчик  освещенности  (Light  Sensor)  и  цифровой  ультразвуковой  дальномер 

(Ultrasonic  Sensor).  Любой  набор  конструктора  может  быть  расширен  периферийными 

устройствами как фирмы LEGO, так и других производителей; 

−  три  интерактивных  сервопривода,  в  корпусе  каждого  из  которых  содержится 

модифицированный  разъем  типа  RJ-12,  коллекторный  двигатель  постоянного  тока  с 

постоянными  магнитами,  понижающий  редуктор  с  передаточным  числом  48:1  и  энкодер  — 

фиксатор  угла  поворота  вала  (в  градусах  или  полных  оборотах).  Скорость  вращения  задается 

параметрами широтно-импульсной модуляции тока питания сервопривода; 

− USB-кабель для подключения компьютера к контроллерному блоку NXT; 

− контроллерный блок NXT с ПО LabVIEW и разъемами для подключения периферийных 

устройств, кнопки управления и жидкокристаллический дисплей. С NXT соединяются не только 

разнообразные  периферийные  устройства  (включая  сервоприводы  и  датчики),  но  и 

осуществляется проводная и беспроводная связь с компьютером платформы PC или Mac; 

− блок NXT микроконтроллеры компании Atmel, обменивающиеся между собой данными 

по шине IІC содержит: 32-разрядный микроконтроллер AT91SAM7S256 (рассматриваемый как 

главный процессор) и 8-разрядный RISC-микроконтроллер AVR семейства Mega (ATmega48); 

модуль  беспроводного  канала;  четыре  модифицированных  разъема  типа  RJ-12  портов  входов 

(входных портов) (пронумерованных как 1 - 4). Каждый разъем ориентирован на подключение 

6-проводного  кабеля  цифровой  платформы;  графический  LCD-дисплей;  динамик  с  верхней 

частотой пропускания 8 кГц; четырех кнопочную мембранную клавиатуру. 

Для  расширения  возможностей  натурного  моделирования  средств  автоматизации 

технологического  оборудования  планируется  использовать  дополнительный  набор  Pneumatics 

305 

 

AddOn  Set  компании  Lego  Group.  Набор  включает  31  специальных  элементов,  в  их  числе 

манометр, насосы, цилиндры, клапаны, воздушный ресивер и трубки. 

 Алгоритмы  работы  сконструированных  электромеханических  моделей  можно  описывать 

средствами  различных  графических  или  текстовых  языков  программирования  в  основном  в 

специально  ориентированных  для  этого  интегрированных  средах  разработки  (ИСР)  либо  в 

средах инженерных систем. 

В их числе, LabVIEW с модулем LabVIEW Module for Lego Mindstroms NXT, MS Visual С++ 

с подключенной библиотекой NXT++.lib ( либо NXT++d.lib), Microsoft Robotics Developer Studio 

2008  R3,  MatLab&Simulink  с  приложением  ECRobot  NXT  Blockset  либо  модулем  RWTH-

Mindstorms NXT Toolbox for MATLAB. 

Различные по назначению управляемые конструкции, механизмы и машины пользователь 

конструктора LEGO MindStorms NXT способен собирать из набора конструкторских элементов 

комплекса. Он может проводить предварительную, виртуальную сборку в 3-мерной графической 

среде,  формируемой  коммерческими  или  свободно  распространяемыми  программными 

продуктами. 

Примерами  такого  программного  обеспечения  служат  инструменты  LabVIEW, 

интегрированной среды MatLab&Simulink, некоммерческие продукты LEGO Digital Designer и 

Microsoft Robotics Developer Studio 2008 R3. 

В  завершение  нужно  отметить,  что  учебные  роботы  практически  изучено  персоналом 

кафедры  «Информатики»  и  лаборантами  УЛЦ  ФТН,  проводятся  исследования  по  изучению 

динамики движения конструкции комплекса. Результаты исследований позволили подготовить 

к  выпуску  учебно-методический  материал  по  выполнению  более  10  лабораторных  работ  по 

соответствующим разделам дисциплин образовательных программ ЕНУ им. Л. Н. Гумилева /6-

8, c. 250, 120, 320/. 

Отметим завершенные темы лабораторных работ: 

1 Управление приводами робототехнических конструкторов. 

2 Программирование функции движения роботов и их элементов. 

3 Датчики робототехнического комплекс. 

4 Способы обнаружения препятствий, освещенности, звука робота№ 

5 Измерение расстояний движения робота. 

6 Программирование функции робота в составе натурных моделей. 

7 Сенсоры ориентации звеньев робота. 

8 Идентификация параметров движения моделей робототехнических устройств. 

 

жүктеу/скачать 15,88 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: