ИЗВЕЩЕНИЕ О ПРЕМИИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Л.И. СЕДОВА

Российский Национальный комитет по теоретической и прикладной механике Российской Академии наук и Внешнеэкономическое закрытое акционерное общество (ВАО) "Интерпрофавиа" учредили премию имени академика Л.И. Седова, присуждаемую ежегодно ученым России и стран СНГ за выдающиеся достижения в области механики жидкости и газа и общих основ механики сплошной среды на основании открытого конкурса. Положение о премии с указанием сроков подачи заявок размещено на сайте Национального комитета: www.ruscommech.ru

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ФЕСТИВАЛИ МОЛОДЕЖИ "МОБИЛЬНЫЕ РОБОТЫ"
Е.А. Девянин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
E-mail: devianin@imec.msu.ru

В последние годы во многих странах мира проводятся фестивали-соревнования роботов различных типов. Соревнуются мини-роботы - "мыши" в лабиринте, колесные роботы на полигоне, играют в футбол команды роботов, обсуждается даже возможность организации "олимпийских игр роботов". Многие такие мероприятия стали уже традиционными и пользуются поддержкой государственных учреждений и крупных фирм, поскольку вовлекают молодых людей в передовые области науки и техники и дают им ценные навыки коллективной работы с реальными сложными системами.

Для России все началось в 1994 году, когда коллектив специалистов по робототехнике, работавших в Институте механики МГУ, получил приглашение принять участие в соревнованиях роботов, проводящихся во Франции на "Международном фестивале наук и технологий". Это предложение было принято, подготовлены молодежные команды, в которые вошли студенты и аспиранты механико-математического факультета МГУ; с их активным участием были разработаны и построены роботы и, начиная с 1995 года, молодежные команды МГУ успешно выступали в этих французских соревнованиях. В 1996 и 1998 годах наши роботы выигрывали в своем классе, где соревновались десятки команд из разных стран мира. В 1999 г. победителем в своем классе на этих соревнованиях стал робот, созданный на кафедре теоретической механики МЭИ, которая также включилась в эту деятельность.

Естественно, возникло желание организовать подобные мероприятия и в России. Инициатива ученых и педагогов МГУ, МЭИ и Института прикладной математики РАН была поддержана Федеральной целевой программой "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки". Эта программа позволила в 1997 году начать подготовку к проведению осенью 1999 года Первого всероссийского фестиваля молодежи "Мобильные роботы 99". Президентом Фестиваля стал ректор МГУ академик В.А. Садовничий, председателем оргкомитета - заведующий кафедрой теоретической механики механико-математического факультета МГУ академик Д.Е. Охоцимский.

Опыт участия во французских соревнованиях и критический анализ их правил послужили основой для создания регламента российских соревнований. В декабре 1998 года были проведены тренировочные соревнования мобильных роботов, в декабре 1999 - 1-ый Фестиваль, в декабре 2000 года - 2-ой Фестиваль, в декабре 2001 - 3-ий Фестиваль. В рамках этих Фестивалей кроме соревнований мобильных роботов проходили также научные конференции по современным проблемам робототехники и мехатронных систем и демонстрация новых роботов. Каждый год регламент соревнований обогащался новыми задачами, совершенствовались роботы, появлялись новые участники. В соревнованиях успешно выступали и гости - молодежные команды из Франции, Южной Кореи, Мексики. В последнем Фестивале приняло участие около 150 человек, для участия в соревнованиях было заявлено 10 роботов.

Соревновательный полигон, развернутый в Институте механики МГУ, представляет собой прямоугольник размером 9 х 6 м, разбитый на квадратные клетки со стороной 1,5 м, которые окрашены так, что образуется "шахматная доска". На полигоне нанесена полоса шириной 5 см, светлая на темных и темная на светлых квадратах, состоящая из отрезков прямых и дуг окружностей. Полигон снабжен маяками, подвешенными над ним и имеющими инфракрасные излучатели с близкой к круговой диаграммой направленности. Каждый маяк имеет контактный датчик, срабатывающий при соприкосновении "фиксатора" робота с маяком, контакт воспринимается автоматикой полигона. В состав полигона входит компьютерный пульт настройки и управления работой маяков. Задание нового маршрута производится посредством оперативного изменения порядка включения маяков с пульта управления.

Робот представляет собой тележку, размером менее одного метра, несущую необходимые датчики и систему управления движением. Роботы стартуют с определенной позиции, автономно, без какого либо вмешательства в их работу, выполняют предписанную последовательность действий и заканчивают маршрут на "финише". Засекается затраченное на маршрут время, а за ошибки в выполнении задачи добавляется штрафное время. Молодежные команды, выступающие на соревнованиях со своими машинами, как правило, состоят из 4 - 5 человек, один из них - капитан команды. Каждый робот имеет собственное имя.

Приведем описания некоторых задач, предлагавшихся участникам соревнований:

1. "Маяки - ворота". В момент старта включен один маяк. Задача робота - двигаться так, чтобы войти в контакт с ним, на что отводится определенное время. Затем маяк выключается и включается следующий либо по сигналу контакта, либо по истечении указанного времени и т .д. Вместо очередного одного маяка могут включаться одновременно два маяка, тогда задача робота - пройти между маяками в образуемые ими "ворота", не задевая эти маяки.
2. "Маяки - ворота - восьмерка". То же упражнение, что и предыдущее со следующим изменением: маяки образующие некоторые ворота, не выключаются после прохождения ворот, тогда робот движется по "восьмерке". Он объезжает один из маяков, вновь проходит ворота в том же направлении, затем объезжает второй маяк и т .д.
3. "Куча". В момент старта включено много маяков. Задача робота - двигаться так, чтобы войти в контакт с каким либо из включенных маяков, после чего он выключается. Требуется "погасить" все маяки, на что отводится определенное время.
4. "Полоса". Упражнение начинается как "маяки - ворота", однако, в момент контакта с очередным одиночным маяком следующий маяк не включается, и известно, что еще не финиш. В таком случае под этим маяком имеется полоса-трасса, которую необходимо обнаружить с помощью имеющегося у робота датчика полосы и далее двигаться по полосе до тех пор, пока не будет включен какой-либо маяк. Тогда движение по полосе прекращается, и робот опять движется по маякам.

Остановимся теперь на кратком описании типичных роботов, выступавших в соревнованиях. Как правило, робот имеет два ведущих колеса со своими электродвигателями и пассивное рояльное колесо. Линейная и угловая скорости робота задаются управляющими широтно-импульсно модулированными сигналами, подаваемыми на усилители мощности правого и левого двигателей. Колеса оснащены датчиками, например, импульсными, измеряющими их углы поворота и угловые скорости.

Для работы с маяками робот имеет систему технического зрения. На ряде машин для этой цели применяются оптические схемы с фотодиодами, в которых круговой обзор обеспечивается вращением фотоприемников вокруг вертикальной оси. В момент, когда маяк оказывается в поле зрения, по сигналу, снимаемому с фотодиода, считываются показания датчика угла поворота - азимут маяка относительно робота. Применяются и системы с неподвижными относительно робота фотодиодами, расположенными так, что каждый дает сигнал, если маяк присутствует в его секторе видимости, чем обеспечивается круговой обзор и определение азимутов маяков с точностью, определяемой размерами и расположением секторов обзора. На других роботах применена система технического зрения, в которой используется видеокамера с вертикальной оптической осью и расположенный над ней зеркальный конус с той же осью, что обеспечивает круговой обзор и проективное преобразование трехмерной сцены в плоское телевизионное изображение, последующая компьютерная обработка которого позволяет определить азимуты маяков и их дальности.

Роботы, работающие с полосой, оснащены двумя типами датчиков. Один из них - несомая над полосой оптронная линейка, дающая информацию о смещении ее центра от средней линии полосы. Второй - телевизионный датчик с определенной схемой обработки видеосигнала. Информация, извлекаемая обработкой одной строки, аналогична доставляемой оптронной линейкой. Обработкой нескольких строк можно получить данные о боковом смещении робота и его повороте относительно полосы, а также о кривизне полосы, что позволяет построить более эффективное управление движением робота.

Сигналы всех установленных на работе датчиков поступают либо непосредственно в бортовой компьютер верхнего уровня системы управления, либо на входы контроллеров, откуда после обработки и преобразования транспортируются в компьютер верхнего уровня. На верхнем уровне системы управления решается ряд задач: задача фильтрации информации, доставляемой системой технического зрения для выделения сигналов от маяков и определения их координат; задача навигации, состоящая в определении координат робота на полигоне; задача формирования тректорий движения робота на маяк, в ворота, для прохождения восьмерки и т .д. Нижний уровень системы реализуется обычно на контроллерах, где производится обработка и преобразование сигналов датчиков и формируются алгоритмы работы следящих систем управления двигателями робота. На входы контроллера поступают значения программных скоростей с верхнего уровня и сигналы с датчиков углов и угловых скоростей колес, и вырабатываются широтно-импульсно модулированные сигналы, подаваемые на усилители мощности электродвигателей. Конечно, все эти операции должны выполняться в реальном времени, что предъявляет к быстродействию аппаратуры и эффективности алгоритмов тем большие требования, чем выше скорость робота и сложнее решаемые им задачи.

В качестве компьютеров верхнего уровня на различных роботах были применены системные блоки РС, их материнские платы и ноутбуки с весьма мощными процессорами вплоть до Pentium-IV.

Закончим краткое описание роботов следующим выводом: участвующие в соревнованиях роботы являются типичными мехатронными устройствами, с развитыми сенсорными системами, сложными связями между отдельными их частями, содержательными компьютерными алгоритмами обработки информации и формирования управляющих сигналов.

Отметим также богатство теоретико-механических и управленческих задач, требующих решения, особенно если создается робот, движущийся с относительно высокими скоростями, что приводит к существенному перераспределению вертикальных сил реакций и возможным продольным и боковым проскальзываниям колес. Если колеса не проскальзывают, то робот является неголономной механической системой со всеми особенностями и сложностями в ее поведении, ярко проявляющимися при движениях с высокими скоростями.

Молодежная команда, которая представляет робот на соревнования, является коллективом с характерным "временем жизни" около трех лет . Смена поколений в команде неизбежна, и работа научных руководителей этого коллектива должна строится так, чтобы студенты второго, третьего курсов, приходящие вместо выбывающих дипломников и аспирантов, достаточно быстро выходили на нужный уровень. Как ясно из изложенного выше, соревновательный робот - сложная мехатронная система, ее первоначальная разработка - задача непосильная для молодого коллектива. В то же время, если эта система хорошо структурирована, то новички команды могут быстро осваивать отдельные ее узлы и подсистемы, выходить на "передний край" и принимать активное участие в ее совершенствовании и дальнейшем развитии. Подготовка робота к соревнованиям и участие в них, очевидно, требует от членов команды высокой ответственности за свой участок работы, хорошего понимания взаимодействия своей подсистемы с другими устройствами робота, учета действий и затруднений коллег, готовности при необходимости "подставить плечо". Комплексность задачи обеспечивает интересной работой молодых людей с разными склонностями: находится дело и "аналитику", и "программисту", и "электронщику", и "слесарю".

В процессе этой деятельности формируется коллектив, вполне владеющий своей аппаратурой, ее алгоритмическим и программным обеспечением. Только такая команда может успешно выступать в соревнованиях, тем более, что в известные заранее регламенты соревнований, нередко, организаторами сознательно не включаются некоторые существенные детали выполнения упражнений. Эти детали сообщаются участникам незадолго перед выполнением задачи, что требует оперативного изменения аппаратурных или программных настроек робота, что может сделать лишь команда, в совершенстве знающая свою систему.

Уже многолетний опыт создания роботов, участвующих в соревнованиях молодежных команд, а также опыт формирования этих команд позволяет сказать, что найдена новая эффективная технология подготовки специалистов по мехатронике. Этот способ обучения привлекает студентов участием в живом деле, возможностью непосредственно увидеть материализацию своих исследований, ощутить увлекательность труда в коллективе единомышленников, преследующих общую цель. Привлекает молодых и обстановка Фестивалей и соревнований, где присутствуют элементы шоу, есть зрители, болельщики, соперники, призы победителям, дипломы и памятные сувениры.

Такая форма подготовки молодежи интересна и нам - учителям и "тренерам" команд. Во-первых, это - реклама, привлекающая молодых к работе в нашей области, на наши кафедры и в наши лаборатории. Во-вторых, взаимодействуя с членами команд и наблюдая за их работой, мы очень быстро устанавливаем, "кто есть кто" в этом коллективе, выясняя не только способности и склонности ребят, но и такие их человеческие качества, как добросовестность, ответственность, тактичность, умение взаимодействовать с коллегами. В свои исследовательские группы мы стараемся привлекать молодых людей, прошедших эту школу. Отметим, что за рубежом крупные фирмы, достаточно щедро спонсирующие подобные мероприятия, преследуют при этом не только рекламные цели, но и приглашают членов лучших команд к себе в качестве сотрудников для работы, порой, весьма далекой от робототехники.

Следующий - 4-ый Всероссийский научно-технический Фестиваль молодежи "Мобильные роботы 2002" состоится в декабре 2002 г. Информация о Фестивалях размещается на сайте www.imec.msu.ru/fmrobot.