ПОЛИГОН ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ
АВТОНОМНЫМ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ
(ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ СПОРТ И НОВЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)

    Целью разработки является демонстрация постановок и методов решения задач, которые выполняются в соответствии с регламентом Всероссийского фестиваля молодежи "Мобильные роботы". Дается описание опыта внедрения в российское высшее образование новой образовательной технологии, связанной с проведением студенческих соревнований мобильных роботов.

    Первый научно-технический фестиваль молодежи Мобильные роботы состоялся в МГУ в декабре 1998 года. С этого времени Президиум фестиваля возглавляет Виктор Антонович Садовничий, помощь которого в организации Фестивалей трудно переоценить.
     Фестиваль представляет собой многоплановое мероприятие, включающее научную школу-конференцию, соревнования мобильных роботов, показательные выступления роботов и демонстрацию новейших робототехнических систем, а спустя некоторое время и турнир по компьютерному (виртуальному) футболу, участники которого разрабатывают алгоритмы группового управления роботами-футболистами.
     Фестиваль "Мобильные роботы" проходит при поддержке Научного совета РАН по робототехнике и автоматическому производству, Научно-методического совета по теоретической механике Министерства образования и науки РФ, Российского Национального Комитета по теоретической и прикладной механике, Российского Национального Комитета по автоматике и управлению. Помощь в издании трудов Фестиваля оказывают программа "Университеты России" и Российский Фонд Фундаментальных Исследований.
     Большую помощь оказал университетский Междисциплинарный научный проект "Интеллектуальные мехатронные системы", в рамках которого к организации и проведению фестиваля присоединился факультет ВМиК МГУ.
     В соревнованиях Фестиваля, кроме российских команд, принимали участие команды из Франции, Кореи и Мексики, поэтому он фактически стал международным.
В течение ряда лет спонсорами Фестиваля являются: фирма "Сауно", фирма "Мовиком", научное общество "Молодежное", ООО "Инсайт полиграфикс".
     Соревнования проходят в атмосфере фестиваля, в духе праздника, но на самом деле являются серьезным показателем развития науки и техники в данной конкретной области. Это возможность продемонстрировать лучших студентов с вероятностью продвижения дальше на европейском уровне развития науки.
     Студенты-разработчики спортивных мобильных роботов должны не только обладать глубокими теоретическими знаниями в области точных наук, но и уметь воплотить самые последние достижения мехатроники в "железо". Здесь возникает уникальная возможность превращения знаний в нечто материальное и нечто живое. Создатель робота реально сталкивается с величайшей загадкой и чудом - проблемой "устройства" интеллекта. При этом быстрые успехи достигаются только в решении таких задач, которые легко алгоритмизируются, а решение хорошо алгоритмизируемых задач составляет лишь незначительную (и при том наиболее рутинную) часть интеллектуальной деятельности.
     Имя профессора МГУ Евгения Девянина Фестиваль получил в 2003 году в память об одном из своих первых организаторов и идейном вдохновителе.

    Соревнования мобильных автономных роботов проводятся на ограниченной ровной горизонтальной площадке, которая представляет собой плоский горизонтальный 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 50 мм, светлая на темных и темная на светлых квадратах, состоящая из отрезков прямых и дуг окружностей радиуса 750 мм, стыкуемых на границах квадратов.
     Полигон снабжен маяками, подвешенными над его поверхностью на высоте одного метра и имеющими ИК-излучатели с круговой диаграммой направленности. Если излучатель включен, то маяк является активным. В состав полигона входят также кабельная сеть и компьютерный пульт управления, обеспечивающие порядок и режим включения и выключения маяков в соответствие с задачей, поставленной перед роботом. Маяк оборудован датчиком таким, что проезд под маяком робота, с установленным на нем специальным диском, фиксируется. На полигоне нанесена также полоса-трасса, образованная отрезками прямых и дуг окружностей. Робот представляет собой автономную тележку, несущую необходимые датчики и систему управления движением. Роботы стартуют с определенной позиции, выполняют предписанную последовательность действий и заканчивают маршрут на "финише". Засекается затраченное на маршрут время; за ошибки при выполнении задачи добавляется штрафное время.

 

Схема полигона для мобильных роботов (кружочки места нахождения маяков).

 

    Система управления полигоном построена на базе персонального компьютера и имеет в своем составе аппаратуру, позволяющую вводить в компьютер показания всех датчиков маяков, а также включать и выключать маяки. Компьютерная программа позволяет реализовать различные задачи с автоматической регистрацией времени и фиксацией ошибок. Интерфейс с оператором обеспечивает гибкое управление от ручного включения маяков с помощью "мыши" до автоматического с фиксацией результата. Конструкция полигона предусматривает задание нового маршрута с помощью оперативного изменения порядка включения маяков с пульта управления, а также с помощью перемещения маяков в перерывах между соревнованиями.
     При проведении Фестивалей для роботов предлагались, в частности, следующие задачи:
     а) "Маяки". Робот движется к активному маяку. При проезде робота под маяком, этот маяк автоматически выключается и включается следующий. При достижении последнего маяка автоматически фиксируется время.
     б) "Ворота". В последовательность маяков включены ворота (пары маяков 3-4 и 1-2), прохождение через которые фиксируется автоматически системой "фотофиниш". Физическое касание маяков ворот штрафуется прибавкой 10 сек. к реальному времени заезда.
     в) "Восьмерка". Осуществляется попеременный объезд маяков, образующих ворота. Автоматически (или судьей) считается число пересечений роботом линии, соединяющей маяки. Когда это число становится равным заданному (три - на рис.3в, пять - на соревнованиях), то ворота выключаются и включается финишный маяк.
     г) "Змейка". Исходно включаются четыре маяка формирующие "слаломную" траекторию, ее начало задается крайней парой (левой) активных маяков. При пересечении последних ворот змейки все образующие ее маяки выключаются и включается финишный маяк.
д) "Куча". Включается одновременно несколько (в данном случае - пять) маяков. Стартовая позиция робота показана прямоугольником. Маяк выключается при проезде под ним робота. Задача робота - погасить все маяки в любом порядке. При прохождении последнего маяка фиксируется время.
     е) "Полоса". Последовательно, как в задаче а), включаются маяки 9,8. При проезде под маяком 8, он выключается, но никакой другой не включается. Отсутствие активных маяков означает, что робот должен переключиться на движение по полосе и двигаться по ней до включения какого-либо маяка. При прохождении маяка 6, включается финишный маяк 5, и робот движется к нему, покинув полосу.

    Приведенный список заданий определяет следующий набор исходных задач, которые должен уметь решать робот:

    

 

Всем задачам регламента можно поставить в соответствие задачи, имеющее как промышленное применение, так и обобщающие известные классические задачи . Именно по этой причине указанные соревнования могут рассматриваться как основа для выработки универсальных подходов к созданию автономных мобильных роботов. Решение задач фестиваля стимулировало постановки и решение новых задач механики и управления.

 

    28 мая 2005 года под Парижем в Университете Версаля-Сан-Кантена в Ивелинах состоялось торжественное закрытие научно-технического фестиваля молодежи "Мобильные роботы - 2005" им. профессора Е.А. Девянина. В соответствии с приказом ректора МГУ В.А. Садовничего этот фестиваль включен в список общеуниверситетских мероприятий, посвященных 250-летнему юбилею Московского университета.
    Несмотря на "чужие стены", российские роботы полностью доминировали в соревнованиях, оставив за собой и корейский, и французские роботы. Главное условие соревнований - полная автономность в действиях робота, который во время движения может опираться только на свои локаторы и видеокамеры - "глаза" и бортовой компьютер - "мозг". Всякие попытки создателей робота в оказании внешней помощи своему "питомцу" сурово пресекаются судьями вплоть до дисквалификации провинившейся команды. Было даже запрещено участника состязаний работать с компьютером роботом между первой и второй попыткой в каждом упражнении, чтобы нельзя было ввести координаты маяков и другие параметры полигона, которые стали известными после первой попытки.

---

    Задача "Куча" является обобщением классической задачи коммивояжера, в которой требуется найти маршрут минимальной длины на фиксированной множестве требуемых пунктов посещения , задаче "Полоса" можно поставить в соответствие, например, движение робота-экскурсовода с остановками возле экспонатов

---

На полигоне робот "Энергия" Московского энергетического института

 

    Хотя французский оргкомитет и усложнил программу соревнований (он впервые включил в число обязательных новые упражнения, требующих достаточно высокого уровня "интеллекта" робота - объезд подвижного препятствия и поиск погашенного маяка), все три первых места в упорнейшей борьбе завоевали российские команды. На первом месте оказался робот механико-математического факультета МГУ "Аргонавт-3" (руководитель проф. В.Е.Павловский), второе место занял робот "Кронус" из Института механики МГУ (руководитель в.н.с В.М.Буданов), третьим был робот "Энергия" Московского энергетического института (руководитель проф. А.И.Кобрин). Следует отметить оказавшийся на пятом месте робот "Скиф" из Таганрогского государственного робототехнического университета (руководитель проф. В.Х.Пшихопов). Основой такого блестящего успеха явился огромный опыт, накопленный в России во время проведения с 1998 г. ежегодных фестивалей "Мобильные роботы" в Институте механики Московского университета им. М.В. Ломоносова.
     Французская сторона организовала прекрасный прием многочисленной российской делегации, в состав которой, кроме студентов и аспирантов, входили летчик-космонавт Г.М.Гречко, профессор А.К. Платонов из Института прикладной математики имени М.В.Келдыша РАН. В торжественной процедуре закрытия Фестиваля приняли участие Советник Посольства России во Франции Василий Усенко, сенатор Доминик Брае, ректор Университета Версаля Сан-Кантена в Ивелинах профессор Анни Бартоли, директор Университетского Технологического Института Мант в Ивелинах доктор Жан-Шарль Кадью.