Доклад на международной научно-практической конференции «ОТ ИНФОРМАТИКИ В ШКОЛЕ К ТЕХНОСФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ», 9-11 декабря 2015 года

1. Антонов Андрей Анатольевич
Руководитель направления «Учебная робототехника»
ООО «Вотум»
e-mail: satcon@satcon.ru
телефон: (8442) 51-70-91
моб.тел: 8-905-334-51-19
Cекция 4. Техносфера и информационно - образовательная среда
образовательной организации
Заразительная робототехника на МикРобах
Групповое управление – это совместное связанное управление
несколькими объектами. Основной целью такого управления является
выполнение объектами общей технологической операции с определенным
распределением между ними отдельных ее частей. Кроме того, оно может
требоваться и для предотвращения взаимных помех, например, столкновений
движущихся объектов, при выполнении ими самостоятельных операций [1].
Примером группового управления в робототехнике может служить
робофутбол, где для достижения общей цели требуется решение задачи
согласованного движения роботов.
В ВУЗах простые роботизированные платформы являются идеальными
инструментами для преподавания широкого спектра инженерных дисциплин,
охватывая цифровую электронику, теорию автоматичекого управления,
цифровую обработку сигналов, управление системами питания и встраиваемого
программного обеспечения. При расширении области восприятия одиночного
робота посредством информационного обмена и взаимодействия с подобными
или же полностью идентичными роботами, их потенциальная ценность в

2. качестве инструмента для образовательных целей, а также при проведении
научных исследований значительно возрастает, позволяя исследовать
«коллективный разум».
В школе все больше появляется кружков для обучения детей
робототехнике и огромное значение имеет степень вовлеченности учащегося в
учебный процесс. От этого зависит восприимчивость нового, зачастую,
достаточно сложного для восприятия ребенком материала. Если учебный
материал подается в игровой форме, когда ученик может сразу же увидеть
результат действия, скажем, написанного им программного кода в реальном
физическом мире, то степень восприятия школьником информации
многократно возрастет. Применение роботов в учебном процессе позволяет
развивать у ребенка абстрактное мышление. В частности, этому способствует
написание программ, управляющие только одним простым роботом, задавая
последовательность действий с высокой детализацией для достижения цели
(низкий уровень абстракции) или же, управляя командной игрой группы
роботов (высокий уровень абстракции).
Групповая робототехника позволяет реализовать потенциал ребенка в
полной мере. Учащиеся занимаются коллективным творчеством, распределяя
роли между собой. Это можно использовать для социализации детей с
ограниченными возможностями, задействовав в процессе коллективного
решения задачи их интеллектуальные способности. Участвовать в
соревнованиях роботов, где не требуется процесс сборки самого робота,
возможно и удаленно – ребенок может писать код, загружать его в робота и
видеть как этот код реализуется на физическом уровне, используя в качестве
обратной связи, к примеру, видеосъемку рабочего поля и визуализированные
данные, формируемые специализированным ПО.
Совместно решая задачу на игровом поле, где действует группа роботов,
между которыми распределяются роли для достижения общей цели, дети, тем

3. самым, трансформируют свое коллективное творчество в коллективное
поведение роботов.
На сегодняшний день, практически все предназначенные для рынка
образовательных услуг робототехнические системы представляют собой
электромеханические конструкторы с возможностью их программирования.
Обязательным этапом при таком подходе является процесс сборки робота
ребенком, что, конечно же, является достаточно увлекательным процессом.
Однако, из-за ограниченности по времени учебного процесса, зачастую
процессом сборки робота все и заканчивается (а в некоторых случаях не удается
даже завершить и сборочный процесс). Практически, перенести недоделанную
работу на следующее занятие не представляется возможным, а
программирование недособранного робота не имеет особого смысла, так как не
позволяет увидеть результаты работы программы, что трансформирует урок по
программированию в урок технологии, цели и задачи которого несколько иные.
В условиях повсеместного технологического развития, когда нас
окружают встраиваемые системы, основой которых является программируемый
процессор, первостепенным является все же развитие в ребенке абстрактного
мышления и обучение его пониманию причинно-следственных связей через
обучение программированию. Робот – это физическая реализация
математической модели. Главенствующую роль в поведении робота и его
работоспособности играет программа, а электромеханическая составляющая
позволяет вовлечь ребенка в учебный процесс и увидеть как результат работы
программы отражается в реальном физическом мире. В современном
высокотехнологичном постиндустриальном мире на первом плане находятся
технологии, поэтому первостепенной задачей является развитие творческого
потенциала ребенка, в частности, обучение его написанию программ, а не
проведению простых технологических операций по сборке и пайке компонентов
робототехнической платформы. Также, необходимо учесть, что многократно

4. повторяемые процессы сборки-разборки значительно сокращают
эксплуатационный срок различных конструкторов, что вместе с его высокой
стоимостью тормозит внедрение занятий по робототехнике в школе.
Для реализации процесса интерактивного обучения с использованием
групповой робототехники требуется гибкая система, устойчивая к изменениям
окружающей среды и неисправностям, имеющая высокую степень
масштабируемости для того, чтобы сформировать относительно большие
команды роботов. При этом, не должны проявляться значительные изменения в
эксплуатационных характеристиках такой системы. Такие системы, зачастую,
являются достаточно дорогостоящими для их повсеместного использования в
учебном или научно-исследовательском процессах. К тому же, требуются
значительные временные затраты для обучения эксплуатации и методам
программирования таких систем педагогов.
Стоимость единичного робота имеет очень большое значение, так как для
их командного использования могут потребоваться несколько, а возможно, и
несколько десятков роботов. Необходимо найти компромисс между
стоимостью, техническими возможностями обработки информации со
множества роботов и сложностью использования всей системы.
Одной из самых сложных задач в мобильной робототехнике является
проблема определения местоположения робота, и от того, каким способом
решается эта задача, в значительной степени зависит и стоимость всей системы.
Существует ряд технических решений, позволяющих решить задачу
локализации для миниатюрных роботов в условиях малого бюджета. Система
VOTUM Ir-board со встроенным ИК-сенсором позволяет превратить любую
проекцию на стене в интерактивную и в своем составе имеет ИК-камеру. Еще
одна технология, метод оптической индексации OID, позволяет считывать
невидимые глазу QR-коды, нанесенные на рабочее поле, помогая, тем самым, в
решении задачи локализации. В сочетании с другими разработками VOTUM,

5. упомянутые технологии позволяют решать задачу определения местоположения
роботов внутри помещений с точностью до 1 мм. На основе этих технических
решений возможно создать бюджетную систему, позволяющую реализовать
процесс обучения на занятиях по робототехнике в виде интерактивного
игрового взаимодействия учащихся с группой миниатюрных мобильных
роботов.
Реализовать роевую робототехническую систему можно с
использованием ИК-светодиодов или с использованием технологии оптической
индексации OID.
В состав такой системы при реализации с использованием инфракрасных
диодов входят:
• Мобильные микро-роботы – МикРобы.
• ИК-сенсор - позволяет распознавать до 16 объектов с частотой до 200 Гц
одновременно в поле своего зрения или же, при установке сенсора на
робота — неограниченное число объектов. Поле зрения определяется
углом обзора сенсора и расстояния до поверхности, на которой находятся
роботы. Рабочее Поле разбивается на ячейки, количество которых может
достигать 4000x4000, что и определяет высокую точность определения
местоположения. ИК-сенсор может располагаться как над полем – так и
под ним (в случае Поля, выполненного из прозрачного для ИК-лучей
материала)
• Матрица - приложение, которое имеет всю информацию о положении и
состоянии МикРобов на Поле, а также имеющихся препятствиях. Данное
приложение может быть установлено на МикРобе или любом другом
гаджете. Матрица «знает» положение на поле всех МикРобов и
препятствий. Эти данные могут быть использованы для визуализации в
соревнованиях или для мониторинга. Обмен данными происходит по
радиоканалу, используя специальный USB-приемопередатчик или по Wi-

6. Fi.
• Вожак – приложение, работающее на МикРобе или любом другом
гаджете, которое получает информацию от Матрицы, а также с других
источников – сенсоров и имеет право управлять определенным
количеством МикРобов. Информационный обмен с МикРобами
осуществляется через Матрицу. Если Вожак установлен на роботе, то его
можно использовать, например для эвакуации МикРобов.
• Беспроводная зарядка – может располагаться под полем. Толщина
порядка 1 мм и радиус действия ограничен 10 мм по вертикали и 80 мм в
горизонтальной плоскости.
Матрица и Вожак могут представлять собой единое приложение и
размещаться на каком-либо МикРобе или гаджете. В случае командных
соревнований, у каждой из команд должны быть свой Вожак и свои МикРобы.
Матрица может управлять «видимостью» Вожака, то есть возможностью
получения им координат МикРобов и препятствий на Поле. Форма области,
ограничивающей видимость может быть произвольной.
Для роевых задач связь между ближайшими МикРобами может быть
реализована через Матрицу. Вожак может получать информацию с датчиков
любого МикРоба также через Матрицу.
В качестве МикроБов могут использоваться различные устройства, в
зависимости от рабочей среды (земля, воздух, вода). В состав каждого входит:
• Электропривод – позволяет МикРобу двигаться в любом направлении и
вращаться вокруг вертикальной оси. Скорость перемещения может
достигать 40 см/сек, радиус разворота – не менее 4 см.
• ИК-излучатель – один или несколько, разнесенных на расстояние не
менее 1,5 см инфракрасных светодиодов, которые управляются и
используются Матрицей для определения МикРоба на Поле с точностью
до 1 мм.

7. • Процессор с радиомодулем, работающим в диапазоне 2,4 ГГц с
поддержкой Bluetooth, который использует собственный протокол для
передачи данных. По радиоканалу передаются управляющие команды от
Матрицы на МикРобы (для управления ИК-излучателями, приводами,
процессом беспроводной подзарядки), и получается различная
информация от МикРобов в качестве обратной связи.
• Аккумулятор с беспроводной зарядкой, который позволяет произвести
подзаряд, переместив МикРоба в специальные места на Поле.
• Может иметь разъем расширения для подключения дополнительных плат,
расширяющих функционал (сенсоры, разъем для обновления встроенного
ПО, разъем для подключения зарядного устройства АКБ, интерфейсные
разъемы)
Пример типичного на текущий момент МикРоба:
• Четырехколесная машинка с поворотными колесами и
электромоторчиками
• Габариты: 50x30x25 мм
• Вес: 30 г
• Цена в партии от 10 шт: 2 тыс.руб/шт
Для моделирования процессов управления большим числом МикРобов
предназначен программный эмулятор.
Существует возможность задания пути перемещения микробов,
размещения различных отметок для обозначения препятствий, мест подзарядки,
а также управления роботами, используя жесты при помощи ИК-ручки.
Для размещения МикРобов на поле, их эвакуации можно использовать
специального МикРоба – погрузчика.
Реальная ситуация на Поле, результаты работы программного эмулятора,
различная информация, получаемая с МикРобов может выводиться на проектор/
монитор.

8. Для задания полей видимости Вожака и каждого из МикРобов, установки
препятствий, мин, кладов и прочего, а также путей следования МикРобов
возможно использование специального Проектора на Поле.
Для игры в Микро хоккей на воздушной подушке предназначена
специальная Шайба. Это устройство не имеет приводов, но передает в Матрицу
информацию с установленных на ней датчиках.
Часть МикроБов может управляться игроками, часть – самой Матрицей. В
этом случае осуществляется игра с Матрицей.
Обладая одним комплектом МикРобов можно организовать игру
обучения правилам дорожного движения, имитируя перемещение транспорта по
улицам и создавая необходимые ситуации. При этом вопросы могут задаваться
голосом.
Также можно одеть специальные костюмы и «раздать» роли каждому
МикРобу, организовав тем самым спектакль. При этом можно создать линейный
алгоритм, где вся история проигрывается последовательно, так и отдельное
управление каждым МикРобом как личностью, для создания неожиданных
поворотов сюжета. При этом задавать характер и шаблоны фраз могут сами
пользователи, придавая неограниченное число вариантов сказок, вплоть до
вновь придуманных.
Также этот комплект позволит научиться управлять стаей роботов,
заставляя их выполнять необходимые задачи. Например, сформировать
геометрическую фигуру или найти определенное место на поле.
Если на МикРобах закреплены разноцветные маркеры, можно задать
алгоритм для рисования какого-либо рисунка.
Имея навыки хореографии можно поставить синхронный танец МикРобов
любой сложности.
На поверхность можно спроецировать множество различных видов
игрового поля. Задав все параметры, МикРобы превращаются в фишки и

9. перемещаются по полю согласно выпавшему на виртуальных костях числу, но в
каждом секторе каждый раз будет новое задание из группы заданий для этой
секции (бонус или антибонус).
Имея два и более комплекта таких МикРобов можно создавать алгоритмы
для игр двух противоборствующих команд. Например, кто быстрее найдет все
освещенные пятна и расположит в них МикРобов или кто вытеснит с игрового
поля все чужие МикРобы. Используя платы расширения можно установить
мини пушки и организовать войну МикРобов под управлением Вожаков. Если
робот понимает, что в него попали, то он замирает до конца боя, а его
положение знают все.
Можно также реализовать шахматную доску, в этом случае Матрица
может просто двигать фигуры по указаниям людей-игроков, а могут играть
Вожаки. Причем учитываться не только время, а и энергия потребленная
Вожаком. Энергия может быть конечна, и, может быть, выиграет более
энергоэффективный Вожак.
Если в классе ИК-Интерактивная приставка VOTUM-IR board, то
докупить надо только МикРобов – ИК-сенсор и ИК-ручка/указка подходят от
приставки.
Наличие в образовательной среде МикРобов позволит учителям в полной
мере уделить внимание изучению принципов создания алгоритмов поведения
робота, в том числе, и группы роботов. Это возможно реализовать благодаря
низкой цене на создание каждого робота. А наличие многоуровневого
программного обеспечения позволит изучать алгоритмы на разных уровнях
познания в данной области: начиная с графического интерфейса для новичков и
заканчивая низкоуровневым строковым программированием.
Литература:

10. 1. Юревич Е.И. Основы робототехники. – 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-
Петербург, 2005, c.255
Аннотация: Использование групповой робототехники в обучающем процессе
позволяет достичь высокого уровня вовлеченности и заинтересованности
школьников, способствует развитию их творческого потенциала и учит
решать задачи, работая в коллективе. Технические решения на базе
микророботов и технологий компании VOTUM позволяют реализовать
бюджетную интерактивную образовательную систему, основанную на
методах групповой робототехники.
Ключевые слова: групповая робототехника, интерактивное обучение,
микророботы
Title the article: The Use of Swarm Robotics in an Interactive Learning Process
Annotation: Using swarm robotics in learning process provides a high level of
involvement and interest of schoolkids, contributes to the development of their
creativity and learn to solve problems by working in teams. Technical solutions based
on micro-robots and technology of VOTUM company allow to implement low-cost
interactive educational system based on the methods of swarm robotics.
Keywords: swarm robotics, interactive education, microbots