Понятие и роль образовательной робототехники на современном этапе развития образования
Платформы образовательной робототехники
жүктеу/скачать 5,97 Mb.
|
2.3 Платформы образовательной робототехникиВ связи с развитием технологий, сегодня существует широкий спектр электронных и программных систем, которые позволяют конструировать и программировать роботов без необходимости иметь передовую научную лабораторию. Многие из них имеют большой дидактический потенциал, потому что они имеют совместимую среду программирования, хорошую производительность, достаточные ресурсы, и доступные затраты. С другой стороны, есть и другие, предоставляющие большие возможности для образовательных целей, но они имеют более высокую цену. Развитие сферы образовательной робототехники во многих странах определило широкую представленность на данном рынке различных мировых производителей робототехнических наборов и их комплектующих. К числу наиболее известных и распространенных их них относятся Lego, HUNA, Fischertechnik, VEX, Tetrix, ТРИК, «Амперка» и др. Существуют и другие менее известные, появляются новые25. Обучение робототехнике проводится с использованием специальных конструкторов, которые содержат детали для сборки и программное обеспечение. Российской ассоциацией образовательной робототехники (РОАР) предлагается «Диаграмма применения робототехнических конструкторов в зависимости от возраста» (рис. 11)26. В том числе на основе нее формируются конкретные модели реализации образовательной робототехники. В робототехнике, особенно в области образования, для проведения экспериментальных проверок необходимо наличие мобильных роботов, поскольку моделирование имеет очевидные ограничения, которые не позволяют напрямую экстраполировать их результаты в реальный мир и не включают все переменные, которые включает в себя физический эксперимент. Именно поэтому, на наш взгляд, наибольшее распространение в нашей стране получили робототехнические конструкторы фирмы Lego®. 25 Калугин Д.Ю., Лейбов А.М., Осокина О.М. Ресурсное обеспечение робототехники // Образовательная робототехника: состояние, проблемы, перспективы: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции (г. Новосибирск, 25-27 ноября 2015 г.). Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2016. 26 Российская ассоциация Образовательной робототехники. сайт: http://www.raor.ru Рисунок 11. Диаграммы применения робототехнических конструкторов в зависимости от возраста Они представлены для разных возрастных категорий, начиная от дошкольников (Lego Duplo) и до школьников средней ступени (Lego EV3). Данное обстоятельство является очень важным, так как позволяет сохранить преемственность и поэтапность образовательного процесса. Для обучения робототехнике в начальной школе может использоваться конструктор Lego Education WeDo, состоящий из стандартных деталей Lego, а также набора датчиков и приводов, подключаемых через USB к компьютеру. В комплекте с данным конструктором поставляется интуитивно понятное и простое программное обеспечение, доступное младшим школьникам. Также, вместе с ПО поставляется набор заданий, представляющих из себя отдельные проекты с подробной пошаговой инструкцией по их выполнению. Его разработчики утверждают, что он идеально подходит для рассказывания историй и рассказов, для игрового обучения, которое поощряет сотрудничество и участие детей; в свою очередь, это облегчает понимание нетехнических знаний в таких предметах, как языки, социальные науки. Для обучения робототехнике в средней школе подойдёт комплект Lego Mindstorms Education, состоящий также из стандартных деталей Lego, а также сенсоров, двигателей и программируемого блока NXT или EV3. Наличие отдельного программируемого блока в сочетании со средой программирования высокого уровня делает набор серьёзным инструментом, позволяющим создавать роботов, способных решать достаточно сложные задачи. Наборы Lego Mindstorms Education имеют еще одно большое преимущество для основного уровня образования. Они включают контроллер с графическим интерфейсом, который, кроме того, легко программируется с компьютера. Благодаря этому учащиеся не имеют доступа к электронике и сложным цифровым системам, требующим не только более глубоких знаний, но и специализированного лабораторного оборудования. С данным робототехническим набором можно собирать конструкции с различными функциями. Lego Mindstorms позволяет легко построить модель интегрированной системы с электромеханическими деталями, управляемыми компьютером, включая датчики, двигатели, шестерни, соединительные детали, колеса и программируемый и настраиваемый контроллер. Обучающийся может свободно использовать свое воображение для изменения или создания новых конструкций, которые выполняют поставленную задачу, не беспокоясь о более сложных способах соединения деталей и необходимости использования дополнительного оборудования. Рассмотрим более подробно комплектацию данных робототехнических наборов. Как и все технологическое оборудование, комплект Lego Mindstorms состоит из двух групп ресурсов: аппаратного и программного обеспечения. Аппаратное обеспечение - это все физические устройства и компоненты, которые выполняют задачи ввода и вывода информации. Он также известен физическая часть набора робототехники. В комплект входит следующее оборудование: входные устройства (датчик касания, ультразвуковой датчик, гироскопический датчик, датчик цвета) и выходные устройства (серводвигатель, лампа, дисплей и т. д.); контроллер (или кирпич), а также детали для конструирования (структурные, соединительные, движущиеся, аксессуары) (рис. 12). Рисунок 12. Контроллер Lego Mindstorms EV3 с датчиками и сервомоторами Комплект стандартного набора можно расширить дополнительными датчиками: ИК-датчик, ИК-маяк, датчик температуры – для EV3; датчик-компас, барометрический датчик, электрооптический датчик расстояния, датчик скорости вращения, датчик мультиплексор, датчик угла наклона, датчик силы от HiTechnic для NXT. Программное обеспечение состоит из инструкций и данных, которые позволяют использовать все ресурсы, которые имеет плата контроллера, так что пользователь может решить проблемы с помощью манипулирования входными и выходными каналами. Сама плата контроллера - это просто конгломерат электронных компонентов. Проще говоря, это нематериальная часть системы. Проводя аналогию с человеческим телом, аппаратное обеспечение является его физической структурой (кожа, кости, органы, все осязаемое), и программное обеспечение - мысли, идеи, убеждения. Всю подробную документацию по комплекту можно найти на официальном сайте Lego Mindstorm - http://mindstorms.lego.com. Также там размещены руководства по сборке и программированию, которые могут помочь ознакомиться с особенностями конструктора. Еще одной особенностью является то, что комплект Lego Mindstorm может работать с различными языками программирования, такими как java, Robot C, EV3 Basic, Python; визуальными средами ROBOLAB, Scratch, LabVIEW и другими. Простота использования комплекта Lego Mindstorms также распространяется на процесс разработки, поскольку среда программного обеспечения и способ программирования в них включает графический интерфейс и уменьшает потребность в технических знаниях java, C или используемого языка. Для обучения робототехнике в старших классах может быть использован конструктор TETRIX, являющийся основным конструктором международных соревнований FIRST Tech Challenge, а также позволяющий собрать модели для участия во Всемирной Олимпиаде Роботов (World Robot Olympiad). Данный конструктор состоит из набора металлических деталей, сенсоров, сервоприводов и программируемого блока Lego Mindstorms. Программирование роботов, созданных из данного набора, осуществляется на языке Robot C. Преимуществом конструктора является возможность использования контроллеров Arduino с незначительной доработкой механической части и программного обеспечения. Еще одним примером робототехнических конструкторов из металлических деталей, используемых как для класса, так и для соревнований являются наборы VEX ROBOTICS EDR. Они нисколько не уступают по функциональности наборам Lego Education EV3, но стоят относительно дешевле. Данные наборы рассчитаны как на групповые занятия, так и на создание мощных, многофункциональных роботов для участия в соревнованиях, их постоянно можно встретить на Мировых Чемпионатах роботов. Металлические наборы VEX занимают особое место среди образовательных робототехнических конструкторов. Они состоят из перфорированных металлических деталей – профиля и пластин, пластиковых элементов передач – зубчатые колеса, шкивы и колеса и т.п. Наборы VEX укомплектованы современными микроконтроллерами Cоrtex, сервомоторами и разнообразными датчиками. Отдельно стоит отметить, что среди комплектующих VEX есть элементы пневматики и линейные передачи, различные колеса и гусеничные траки. Наборы позволяют собрать десятки роботов, движущихся и стационарных, в том числе робота Clawbot с клешнёй-манипулятором. Благодаря вышеперечисленным качествам металлические наборы VEX обладают уникальными функциональными возможностями. Поэтому в рамках соревнований Junior Skills он все чаще вытесняет наборы на базе Lego. Это указывает на вектор соревнования, который направлен в сторону усложнения и развития компетенций в данной дисциплине. Микроконтроллеры Cortex-M стали сегодня одними из самых популярных процессоров, применяемых при разработке и изготовлении электронной техники. Высокая вычислительная мощность, широкий набор периферии и низкая стоимость делают эти устройства привлекательными для самого широкого круга разработчиков. При этом каждый желающий может выбрать наиболее подходящий вариант для решения конкретной задачи. Производители предлагают огромное количество разнообразных микросхем, общим для которых остается только процессорное ядро. На сегодняшний день распространение получили 3 варианта ядер: Cortex-M0, Cortex-M3, CortexM4. Отличия этих моделей не всегда явно прослеживаются, поэтому следует разобраться в особенностях этих вариантов. Рисунок 13. Микроконтроллер VEX Cortex EDR Микроконтроллеры Cortex-M представляют собой одно из направлений развития микропроцессорных ядер, предлагаемых фирмой ARM. Фактически, под общей торговой маркой Cortex можно увидеть три типа процессоров (профилей), обозначаемых буквами A, R, M. Задачей профиля A стало достижение большой вычислительной мощности. Изделия с этой маркировкой - Cortex-A, представляют собой классические микропроцессоры, являющиеся дальнейшей эволюцией разработок ARM. Профиль R нацелен на использование во встраиваемых системах, поэтому эти процессоры модернизированы для исполнения задач в реальном времени. Основной задачей профиля M заявлена простота и низкая стоимость. Технически Cortex-M представляют сильно упрощенные варианты старших моделей. Тем не менее, даже такие «урезанные» контроллеры обладают вычислительной мощностью, значительно превышающей многие аналоги. Также отличием от «больших» ARM стала поддержка битовых операций, необходимая в микроконтроллерах для работы с периферией. Микроконтроллер на базе VEX ARM® Cortex® координирует потоки информации и электроэнергии робота. Все прочие электронные элементы системы (электромоторы, датчики и пр.) связаны с микроконтроллером. Микроконтроллер может осуществлять двунаправленную передачу данных для управления, отладки и загрузки через инновационное беспроводное соединение VEXnet. Микроконтроллер является мозгом каждого робота VEX. Робот представляет собой сложную систему, состоящую из частей, которые должны работать вместе для достижения требуемой цели. Электронное управление, реализованное с помощью программируемого контроллера, например, микроконтроллера, демонстрирует процесс координирования работы различных компонентов робота для выполнения поставленной задачи. Микроконтроллер оснащен пользовательским процессором STMicroelectronics ARM Cortex-M3. Данный процессор отвечает за интерпретацию программ/инструкций, обработку команд и соответствие отклика. Помимо процессора, микроконтроллер оснащен рядом портов (до двенадцати), через которые может осуществляться подключение к интерфейсу датчиков и электромоторов. Рассмотрев микроконтроллер, стоит рассмотреть и особенность Vex, которая отличает их от того же Lego. Это джойстик Vexnet (рис. 14). Несмотря на то, что многие роботы проектируются с акцентом на автономную работу, зачастую возникает потребность в ручном управлении роботом. Джойстик VEXnet позволяет оператору управлять действиями робота в режиме реального времени, используя инновационное беспроводное соединение VEXnet. Рисунок 14. Джойстик VEX Оператор отправляет команды роботу с помощью ручек и кнопок на джойстике VEXnet. Команды отправляются микроконтроллеру Cortex в форме сигналов VEXnet с помощью ключа USB-адаптера VEXnet, подключаемого к микроконтроллеру робота VEX. Джойстик снабжен двумя аналоговыми ручками, работающими в двух направлениях, четырьмя пусковыми кнопками и двумя навигационными панелями с четырьмя кнопками. Джойстик также снабжен акселерометром, с помощью которого может быть достигнуто наклонное положение по осям X-Y. Благодаря этой возможности управление положением руки робота или приводной системы может осуществляться путем изменения наклона джойстика. Для передачи данных микроконтроллер VEX Cortex использует беспроводное соединение и специальное оборудование VEXnet, благодаря которому исчезает необходимость в использовании IP адресов, MAC-адресов, настроек безопасности и IP-протоколов. Нужно просто включить оборудование, после чего соединение между микроконтроллером и соответствующим ему джойстиком будет выполнено автоматически. Оборудование VEXnet работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц. Этот тип беспроводной связи позволяет осуществлять отправку больших объемов данных в обоих направлениях между джойстиком VEXnet и микроконтроллером VEX Cortex. До этого единственным безопасным и надежным методом передачи настолько больших объемов данных был метод передачи по проводам и кабелю. Тем не менее, для многих вариантов использования в робототехнике этот метод не был продуктивным. VEXnet позволяет осуществлять непрерывное и полноценное беспроводное управление. Исходя из этого мы получаем прекрасное оборудование, которое позволяет нам с большой точностью совершать управление роботом. Такая точность дает нам возможность выполнять сложные робототехнические задания, представленные на соревнованиях. Программным обеспечением для робототехнического конструктора Vex, является RobotС. В настоящий момент — это единственный язык программирования для роботов, который предоставляет развитый режим отладки во время выполнения программ. Еще одной распространённой платформой для образовательной робототехники в старших классах является Arduino. Arduino - это бесплатная аппаратная платформа, основанная на плате с микроконтроллером и средой разработки, которая включает в себя входные и выходные сигналы, а также порты для связи с компьютером. Она была разработана для облегчения использования электроники в междисциплинарных проектах. для ее использования можно скачать бесплатное программное обеспечение для программирования, или использовать другой инструмент в языке программирования C. Arduino была создана для художников, дизайнеров, любителей и для тех, кто заинтересован в создании интерактивных сред или объектов. Благодаря своей простоте использования она стала одним из основных ресурсов для тех, кто входит в мир образовательной робототехники. Arduino представляет собой плату с микроконтроллером Atmel ATmega, всей необходимой для него обвязкой, регулятором напряжения и USB-UART мостом. Все выводы платформы выведены на края платы и как правило уже оборудованы разъемами. Основные модели Arduino имеют в своем составе 8-битный микропроцессор ATmega. Как правило, для большинства проектов использующих Arduino, такого слабого процессора вполне хватает. Имеется и версия на основе 32-разрядного ARM Cortex M3 (ATMEL SAM3U). Наиболее популярная версия Arduino Uno базируется на микроконтроллере ATmega328. Имеет 15 GPIO портов, включая 6 ШИМ (рис. 15). Микроконтроллер снабжен 32Кб Flash-памяти и 2Кб RAM. На базе данной платформы присутствует кварцевый генератор, работающий на частоте 16 МГц. Питание платформы может осуществляться от персонального компьютера через порт USB или от внешнего блока питания постоянного тока с выходным напряжением от 5 до 12 В. Для программирования Arduino не требуется внешний программатор, так как в микроконтроллер уже зашит загрузчик (boot loader). Кроме того, на плате размещается USB-UART мост, который позволяет загружать скетчи при помощи обычного USB интерфейса. Рисунок 15. Внешний вид платы Arduino Uno Программный код для Arduino выполняется на языке Processing/Wiring, имеющем синтаксис C++. Для составления кода и загрузки его в контроллер используется свободно-распространяемый редактор Arduino IDE. Именно благодаря этим двум особенностям, Arduino стала самой распространенной платформой для начинающих разработчиков электроники. Arduino является инструментом для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения. У оболочки Arduino IDE есть монитор последовательного порта, который позволяет отображать на экране монитора ПК результаты измерений аналоговых сигналов тока, напряжения, частоты вращения, температуры. На плате платформы присутствует колодка с постоянным напряжением 5 В и общим проводом (ground) для питания внешних устройств, таких как датчики или различные микросхемы. Рассмотрим основные ее элементы на примере микроконтроллера Arduino UNO (рис. 16). Рисунок 16. Основные элементы микроконтроллера Arduino UNO К ним относятся: 1 - Разъем Питания (от батареи) - Может использоваться с блоками питания 9 - 12 Вольт. 2 - Разъем USB (USB Порт) - Может использоваться для питания схем, а также для связи с компьютером. 3 - Индикатор (RX: Прием) - Используется для индикации приема данных. 4 - Индикатор (TX: Передача) - Используется для индикации передачи данных. 5 - Индикатор (Порт 13: поиск неисправностей) - Во время работы скетча показывает правильно ли всё работает. 6 - Порты (ARef, Ground, Digital, Rx, Tx) - опорное напряжение, земля, цифровые порты, порты приема и передачи данных. 7 - Индикатор (Индикатор питания) - сигнализирует о подаче питания на плату Arduino. 8 - Reset (сброс) - ручной перезапуск платы Arduino, приводит к перезапуску вашей программы. 9 - Разъем IC SP (Порт программирования) - дает возможность программировать, минуя загрузчик самой платы. 10 - Порты (Analog In, Power In, Ground, Power Out, Reset) - аналоговые, входящие, исходящие, питание и земля. Помимо Arduino UNO стандартной длины существуют платы Arduino Pro, Arduino Leonardo. Также представлены платы с расширенным набором штыревых линеек Arduino Mega, Arduino Due и уменьшенных габаритов Arduino Nano, Arduino Micro. Поскольку «Arduino» является зарегистрированным товарным знаком, сторонние производители вносящие изменения в архитектуру платформы используют другие обозначения для своих продуктов. Клоны совместимы с Arduino программно и аппаратно, что означает они могут использовать программы написанные для Arduino и использовать соответствующие дополнительные модули (Shields). Список клонов достаточно велик и постоянно растет: серия Freeduino (SB, Max Serial, Through-Hole), CraftDuino, Seeeduino, Roboduino, Microduino и т.п. На российском рынке продвижением образовательных конструкторов на Arduino активно занимается компания «Амперка». Она предлагает для пользователей целый спектр оригинальных наборов для тех, кто делает первые шаги в робототехнике, создании электронных устройств и обучении программированию (рис. 17). Помимо самих робототехнических наборов компанией предлагаются достаточно подробно разработанные инструкции по сборке различных электронных устройств от самых простых до более сложных. Например, одноименный образовательный набор «Амперка» включает не только электронные компоненты в виде резисторов, светодиодов, транзисторов, моторов, сенсоров, LCD-экрана и платы с микроконтроллером Arduino UNO, но и специально разработанное учебное пособие «Основы программирования микроконтроллеров»25. Данное пособие предназначено для обучающихся средних и старших классов, позволяющее освоить им основы разработки собственных электронных устройств. Помимо теоретического материала в нем представлены упражнения по проектированию электрических схем и программированию микроконтроллера. Разработчиком заявляется что данный набор подходит для проведения уроков информатики и технологии в 7-9 классах. Рисунок 17. Составляющие образовательных наборов на Arduino от «Амперки» Помимо образовательного набора «Амперка» компанией предлагается широкий спектр электронных наборов – «Матрешка», «Йодо», «Робоняша», «Малина» и др. Причем не только на базе Arduino, но и на базе Raspberry и российском аналоге совместимом с Arduino – Iskra, программируемом как на С++, так и на JavaScript (Iskra JS). Одним из главных преимуществ применения данных наборов в сфере образовательной робототехники является наличие разработанных учебно-методических материалов для обучающихся по сути к каждому набору (также они представлены в открытом доступе на сайте amperka.ru). К ним относятся как теоретические материалы для начинающих – от понятия электричества до перехода к работе с Arduino, так и разработанные серии «экспериментов» - по сути лабораторные работы, которые достаточно легко можно встроить в образовательный процесс не только школы, но также колледжа и даже вуза. жүктеу/скачать 5,97 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|