Инженерийн боловсролын дэлхийн олон шилдэг сургалтууд байдаг боловч тэдгээрийн эргэн тойронд баригдсан сургалтын хөтөлбөр нь ихэвчлэн нэг ноцтой дутагдалтай байдаг - янз бүрийн сэдвүүдийн хоорондын уялдаа холбоо хангалтгүй байдаг. Нэг нь эсэргүүцэж магадгүй: энэ яаж байж болох вэ?
Сургалтын хөтөлбөрийг бүрдүүлэхдээ хичээл тус бүрээр судлах шаардлагатай хичээлүүд, урьдчилсан нөхцөл, тодорхой дарааллыг зааж өгсөн болно. Жишээлбэл, энгийн хөдөлгөөнт роботыг бүтээх, програмчлахын тулд та түүний физик бүтцийг бий болгох бага зэрэг механикийг мэдэх хэрэгтэй; Ом/Кирхгофын хуулиудын түвшний цахилгаан эрчим хүчний үндэс, тоон болон аналог дохионы дүрслэл; роботын орон зай дахь координатын систем, хөдөлгөөнийг дүрслэхийн тулд вектор ба матрицтай үйлдлүүд; өгөгдлийн танилцуулгын түвшинд програмчлалын үндэс, энгийн алгоритмууд болон удирдлагын дамжуулалтын бүтэц гэх мэт. зан үйлийг дүрслэх.
Энэ бүхэн их сургуулийн хичээлд хамрагдсан уу? Мэдээж байгаа. Гэсэн хэдий ч Ohm / Kirchhoff-ийн хуулиудын тусламжтайгаар бид термодинамик ба талбайн онолыг олж авдаг; матриц ба векторуудтай хийх үйлдлээс гадна Жорданы хэлбэрүүдтэй ажиллах шаардлагатай; програмчлалын хувьд полиморфизмыг судлах - энгийн практик асуудлыг шийдвэрлэхэд үргэлж шаардлагагүй сэдвүүд.
Их сургуулийн боловсрол нь өргөн цар хүрээтэй байдаг - оюутан өргөн фронтод явдаг бөгөөд ихэнхдээ олж авсан мэдлэгийнхээ утга учир, практик ач холбогдлыг олж хардаггүй. Бид их сургуулийн боловсролын парадигмыг STEM (Шинжлэх ухаан, Технологи, Инженерчлэл, Математик гэсэн үгнээс гаралтай) дээр шилжүүлж, мэдлэгийн уялдаа холбоонд суурилсан хөтөлбөрийг бий болгохоор шийдсэн бөгөөд энэ нь ирээдүйд бүрэн дүүрэн байдлыг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог. сэдвүүдийг эрчимтэй эзэмшсэн гэсэн үг.
Шинэ сэдвээр суралцах нь орон нутгийг судлахтай харьцуулж болно. Энд хоёр сонголт байна: эсвэл бидэнд гол дурсгалт газрууд хаана байгаа, тэдгээр нь хоорондоо хэрхэн холбогдож байгааг ойлгохын тулд судлах шаардлагатай асар их хэмжээний нарийвчилсан газрын зураг байгаа (мөн энэ нь маш их цаг хугацаа шаарддаг). ; эсвэл та зөвхөн үндсэн цэгүүд болон тэдгээрийн харьцангуй байрлалыг харуулсан энгийн төлөвлөгөөг ашиглаж болно - ийм газрын зураг нь зөв чиглэлд нэн даруй хөдөлж эхлэхэд хангалттай бөгөөд та явахдаа нарийн ширийн зүйлийг тодруулна.
Бид STEM сургалтын эрчимжүүлсэн аргыг өвлийн сургуульд MIT-ийн оюутнуудтай хамтран туршиж үзсэн
Материал бэлтгэх
Сургуулийн хөтөлбөрийн эхний хэсэг нь алгебр, цахилгаан хэлхээ, компьютерийн архитектур, Python програмчлал, ROS (Робот үйлдлийн систем) -ийн танилцуулга зэрэг үндсэн чиглэлээр долоо хоног хичээллэв.
Чиглэлүүд нь санамсаргүй байдлаар сонгогдоогүй: бие биенээ нөхөж, оюутнуудад математик, электроник, програмчлал гэсэн өөр юм шиг харагдах зүйлсийн хоорондын уялдаа холбоог олж харахад туслах ёстой байв.
Мэдээж гол зорилго нь олон лекц унших биш, харин оюутнуудад шинээр олж авсан мэдлэгээ практикт өөрсдөө хэрэгжүүлэх боломжийг олгох явдал байв.
Алгебрийн хэсэгт оюутнууд матрицын үйлдлүүд болон тэгшитгэлийн системийг шийдвэрлэх дадлага хийх боломжтой байсан нь цахилгаан хэлхээг судлахад тустай байв. Транзисторын бүтэц, түүний үндсэн дээр баригдсан логик элементүүдийн талаар суралцсан оюутнууд процессорын төхөөрөмжид тэдгээрийн хэрэглээг харж, Python хэлний үндсийг сурсны дараа түүнд жинхэнэ роботын програм бичих боломжтой болсон.
Дакитаун
Сургуулийн нэг зорилго бол симулятортай ажиллахыг аль болох багасгах явдал байв. Тиймээс оюутнууд бодит бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс талхны самбар дээр угсарч, практик дээр туршиж үзэх ёстой электрон хэлхээний том багцыг бэлтгэсэн бөгөөд Дакитауныг төслүүдийн суурь болгон сонгосон.
Duckietown бол Duckiebots хэмээх жижиг бие даасан роботууд болон тэдний зорчиж буй замын сүлжээг хамарсан нээлттэй эхийн төсөл юм. Duckiebot бол Raspberry Pi микрокомпьютер, нэг камертай дугуйтай платформ юм.
Үүний үндсэн дээр бид замын зураг зурах, объект хайх, түүний хажууд зогсох зэрэг хэд хэдэн боломжит ажлуудыг бэлтгэсэн. Оюутнууд өөрсдийнхөө асуудлыг санал болгож, түүнийг шийдэх программ бичээд зогсохгүй бодит робот дээр шууд ажиллуулж болно.
Багшлах
Лекцийн үеэр багш нар урьдчилан бэлтгэсэн илтгэлүүдийг ашиглан материалыг танилцуулав. Оюутнууд гэртээ үзэх боломжтой байхын тулд зарим хичээлийг видео бичлэгээр хийсэн. Лекцийн үеэр оюутнууд компьютер дээрээ хэрэглэгдэхүүн ашиглаж, асуулт асууж, хамтдаа, бие даан, заримдаа самбар дээр асуудлыг шийдвэрлэдэг байв. Ажлын үр дүнд үндэслэн сурагч бүрийн үнэлгээг өөр өөр хичээлээр тус тусад нь тооцов.
Хичээл бүрийн хичээлийг илүү нарийвчлан авч үзье. Эхний хичээл нь шугаман алгебр байсан. Оюутнууд нэг өдөр вектор ба матриц, шугаман тэгшитгэлийн систем гэх мэтийг судалжээ. Практик даалгавруудыг интерактив байдлаар зохион байгуулсан: санал болгож буй асуудлуудыг дангаар нь шийдэж, багш болон бусад оюутнууд санал, зөвлөмж өгсөн.
Хоёрдахь сэдэв бол цахилгаан ба энгийн хэлхээ юм. Оюутнууд электродинамикийн үндсийг сурсан: хүчдэл, гүйдэл, эсэргүүцэл, Ом-ын хууль, Кирхгофын хуулиуд. Практик даалгавруудыг хэсэгчлэн симулятор дээр хийсэн эсвэл самбар дээр гүйцэтгэсэн боловч логик хэлхээ, хэлбэлзлийн хэлхээ гэх мэт бодит хэлхээг бүтээхэд илүү их цаг зарцуулсан.
Дараагийн сэдэв нь Компьютерийн Архитектур буюу нэг ёсондоо физик, програмчлалыг холбосон гүүр юм. Оюутнууд үндсэн үндэслэлийг судалж үзсэн бөгөөд түүний ач холбогдол нь практик гэхээсээ илүү онолын шинж чанартай байдаг. Дадлага хийхдээ оюутнууд симулятор дээр арифметик болон логик хэлхээг бие даан зохиож, гүйцэтгэсэн даалгаврын оноог авсан.
Дөрөв дэх өдөр бол программын эхний өдөр юм. Python 2 нь ROS програмчлалд хэрэглэгддэг учраас програмчлалын хэлээр сонгосон. Энэ өдрийг дараах байдлаар зохион байгуулав: багш нар материалаа танилцуулж, асуудал шийдвэрлэх жишээг өгч, оюутнууд тэднийг сонсож, компьютерийнхээ ард сууж, багшийн бичсэн зүйлийг самбар эсвэл слайд дээр давтав. Дараа нь оюутнууд ижил төстэй асуудлыг бие даан шийдэж, шийдлийг багш нар үнэлэв.
Тав дахь өдөр нь ROS-д зориулагдсан: залуус роботын програмчлалын талаар сурсан. Бүхэл бүтэн хичээлийн өдөр сурагчид компьютерийнхээ ард суугаад багшийн ярьсан программын кодыг ажиллуулдаг байв. Тэд үндсэн ROS нэгжүүдийг бие даан ажиллуулж чадсан бөгөөд мөн Duckietown төсөлтэй танилцсан. Энэ өдрийн төгсгөлд оюутнууд сургуулийн төслийн хэсэг болох практик асуудлыг шийдвэрлэхэд бэлэн байв.
Сонгосон төслүүдийн тодорхойлолт
Оюутнуудаас гурван хүний бүрэлдэхүүнтэй баг бүрдүүлж, төслийн сэдвийг сонгохыг хүссэн. Үүний үр дүнд дараахь төслүүдийг батлав.
1. Өнгөний тохируулга. Гэрэлтүүлгийн нөхцөл өөрчлөгдөхөд Duckiebot камерыг тохируулах шаардлагатай байдаг тул автомат тохируулгын ажил байдаг. Асуудал нь өнгөний хүрээ нь гэрэлд маш мэдрэмтгий байдаг. Оролцогчид хүрээн дэх шаардлагатай өнгийг (улаан, цагаан, шар) тодруулж, HSV форматаар өнгө бүрийн хүрээг бий болгох хэрэгслийг хэрэгжүүлсэн.
2. Нугас такси. Энэхүү төслийн санаа нь Дакибот ямар нэгэн объектын дэргэд зогсож, түүнийг барьж аваад тодорхой маршрутаар явах боломжтой юм. Тод шар нугасыг объект болгон сонгосон.
3. Замын график байгуулах. Зам, уулзварын график гаргах ажил бий. Энэхүү төслийн зорилго нь зөвхөн камерын өгөгдөлд тулгуурлан Duckiebot-д байгаль орчны априори мэдээлэл өгөхгүйгээр замын графикийг бүтээх явдал юм.
4. Эргүүл хамгаалалтын машин. Энэ төслийг оюутнууд өөрсдөө зохион бүтээсэн. Тэд "эргүүл" болох нэг Дакиботыг нөгөө "зөрчигчийн" араас хөөж явуулахыг заах санал тавьсан. Энэ зорилгоор ArUco маркер ашиглан зорилтот таних механизмыг ашигласан. Таних ажиллагаа дуусмагц ажлыг дуусгах дохиог "хөрсгөгч" рүү илгээдэг.
Өнгөний шалгалт тохируулга
Өнгө тохируулгын төслийн зорилго нь таних боломжтой тэмдэглэгээний өнгөний хүрээг гэрэлтүүлгийн шинэ нөхцөлд тохируулах явдал байв. Ийм зохицуулалт хийхгүйгээр зогсолтын шугам, эгнээ тусгаарлах, замын хил хязгаарыг хүлээн зөвшөөрөх нь буруу болсон. Оролцогчид улаан, шар, цагаан гэсэн тэмдэглэгээний өнгөний хэв маягийг урьдчилан боловсруулахад үндэслэсэн шийдлийг санал болгов.
Эдгээр өнгө бүр нь HSV эсвэл RGB утгын урьдчилан тохируулсан мужтай байдаг. Энэ хүрээг ашиглан тохирох өнгө агуулсан хүрээний бүх хэсгийг олж, хамгийн том хэсгийг нь сонгоно. Энэ хэсгийг санаж байх ёстой өнгө болгон авдаг. Дараа нь шинэ өнгөний хүрээг тооцоолохын тулд дундаж болон стандарт хазайлтыг тооцоолох зэрэг статистикийн томъёог ашиглана.
Энэ хүрээ нь Duckiebot-ийн камерын тохиргооны файлд бичигдсэн бөгөөд дараа нь ашиглах боломжтой. Тайлбарласан аргыг бүх гурван өнгөнд хэрэглэсэн бөгөөд эцэст нь тэмдэглэгээний өнгө бүрийн мужийг үүсгэсэн.
Туршилтууд нь тэмдэглэгээний материалд гэрлийн эх үүсвэрийг маш хүчтэй тусгадаг гялгар туузыг ашигласан тохиолдолд камерын харах өнцгөөс харахад тэмдэглэгээ нь анхны өнгөнөөс үл хамааран цагаан өнгөтэй харагдсанаас бусад тохиолдолд тэмдэглэгээний шугамыг бараг төгс танихыг харуулсан.
Нугас такси
Нугас Такси төсөл нь хотод нугастай зорчигч хайж олох алгоритмыг бүтээж, дараа нь шаардлагатай цэг рүү зөөвөрлөсөн. Оролцогчид энэ асуудлыг илрүүлэх, график дагуух хөдөлгөөн гэсэн хоёр хэсэгт хуваасан.
Оюутнууд нугасыг улаан гурвалжин (хошуу) бүхий хүрээн доторх шар өнгөөр ялгах боломжтой талбай гэж таамаглаж нугас илрүүлэх ажлыг хийсэн. Дараагийн кадрт ийм газар илэрсэн даруйд робот түүн рүү ойртож, дараа нь зорчигчийн буултыг дуурайлган хэдэн секунд зогсох ёстой.
Дараа нь бүхэл бүтэн Дакитауны замын график болон ботын байрлалыг санах ойд урьдчилан хадгалж, мөн очих газрыг оролт болгон хүлээн авснаар оролцогчид Дийкстрагийн алгоритмыг ашиглан график дахь замыг олохын тулд явах цэгээс хүрэх цэг хүртэлх замыг бий болгодог. . Гаралтыг командын багц хэлбэрээр үзүүлэв - дараах уулзвар бүр дээр эргэлддэг.
Замын график
Энэхүү төслийн зорилго нь Дакитаун дахь авто замын сүлжээ буюу график байгуулах явдал байв. Үүссэн графикийн зангилаа нь огтлолцол, нумууд нь зам юм. Үүнийг хийхийн тулд Дакибот хотыг судалж, маршрутыг нь шинжлэх ёстой.
Төсөл дээр ажиллах явцад жигнэсэн график үүсгэх санааг авч үзсэн боловч дараа нь хаясан бөгөөд ирмэгийн өртөг нь уулзвар хоорондын зай (аялах хугацаа) -аар тодорхойлогддог. Энэ санааг хэрэгжүүлэх нь хэтэрхий их хөдөлмөр шаардсан ажил болж, сургууль дотор үүнд хангалттай хугацаа байхгүй байв.
Дакибот дараагийн уулзварт очихдоо хараахан гараагүй уулзвараас гарах замыг сонгодог. Бүх уулзвар дээрх бүх замыг өнгөрсний дараа уулзварын зэргэлдээх газруудын үүсгэсэн жагсаалт ботын санах ойд үлдэж, Graphviz номын санг ашиглан зураг болгон хувиргадаг.
Оролцогчдын санал болгосон алгоритм нь санамсаргүй Дакитаун хотод тохиромжгүй байсан ч сургуулийн дотор ашигладаг дөрвөн уулзвар бүхий жижиг хотод сайн ажилласан. Уг санаа нь уулзвар бүрт ямар дарааллаар явж байгааг хянахын тулд уулзвар танигчийг агуулсан ArUco тэмдэглэгээг нэмэх явдал байв.
Оролцогчдын боловсруулсан алгоритмын диаграммыг зурагт үзүүлэв.
Эргүүл машин
Энэхүү төслийн зорилго нь Дакитаун хотод зөрчил гаргасан ботыг хайж, мөрдөж, саатуулах явдал юм. Эргүүл хамгаалалтын бот хотын замын гаднах цагирагаар хөдөлж, танигдсан халдагч ботыг хайж олох ёстой. Халдагчийг илрүүлсний дараа эргүүлийн бот халдагчийг дагаж, түүнийг зогсоохыг албадах ёстой.
Энэ ажил нь хүрээ доторх роботыг илрүүлэх, дотор нь халдагчийг таних санааг хайж эхэлсэн. Тус багийнхан хотын бот бүрийг ар талд нь өвөрмөц тэмдэглэгээгээр тоноглохыг санал болгов - яг л жинхэнэ машин улсын дугаартай байдаг шиг. Энэ зорилгоор ArUco тэмдэглэгээг сонгосон. Тэдгээрийг өмнө нь Duckietown-д ашиглаж байсан, учир нь тэдгээр нь ажиллахад хялбар бөгөөд орон зайд маркерын чиг баримжаа, түүнд хүрэх зайг тодорхойлох боломжийг олгодог.
Дараа нь эргүүлийн бот уулзвар дээр зогсолтгүй гаднах тойрог дээр хатуу хөдөлж байхыг баталгаажуулах шаардлагатай байв. Анхдагч байдлаар, Duckiebot нэг эгнээгээр хөдөлж зогсох шугам дээр зогсдог. Дараа нь замын тэмдгийн тусламжтайгаар уулзварын тохиргоог тодорхойлж, уулзварын гарцын талаар сонголт хийдэг. Тайлбарласан үе шат бүрийн хувьд роботын хязгаарлагдмал төлөвийн машины төлөвийн аль нэгийг хариуцдаг. Уулзвар дээрх зогсолтоос ангижрахын тулд багийнхан төрийн машиныг сольсон тул зогсолтын шугам руу ойртоход робот шууд уулзвараар шууд жолоодох төлөвт шилжсэн.
Дараагийн алхам бол халдагч роботыг зогсоох асуудлыг шийдэх явдал байв. Тус багийнхан эргүүлийн бот нь хотын бот бүрт SSH хандалт хийх боломжтой, өөрөөр хэлбэл ямар зөвшөөрлийн өгөгдөл, ямар id-тэй холбоотой мэдээлэлтэй байх боломжтой гэсэн таамаглал дэвшүүлсэн. Ийнхүү халдагчийг илрүүлсний дараа эргүүлийн бот нь халдагч боттой SSH-ээр холбогдож, системийг нь хааж эхэлсэн.
Унтраах команд дууссаныг баталгаажуулсны дараа эргүүлийн робот мөн зогссон.
Эргүүлийн роботын үйлдлийн алгоритмыг дараах диаграмаар дүрсэлж болно.
Төсөл дээр ажиллаж байна
Ажил нь Scrum-тай төстэй хэлбэрээр зохион байгуулагдсан: өглөө бүр оюутнууд тухайн өдрийн даалгавраа төлөвлөж, орой нь хийсэн ажлынхаа талаар тайлагнадаг байв.
Эхний болон сүүлийн өдрүүдэд оюутнууд даалгавар, түүнийг хэрхэн шийдвэрлэх талаар тайлбарласан илтгэлүүдийг бэлтгэсэн. Оюутнуудад сонгосон төлөвлөгөөгөө хэрэгжүүлэхэд нь туслахын тулд Орос, Америкийн багш нар төсөл дээр ажилладаг өрөөнд байнга сууж, асуултуудад хариулдаг байв. Харилцаа холбоо нь үндсэндээ англи хэл дээр явагдсан.
Үр дүн ба тэдгээрийн үзүүлбэр
Төслийн ажил долоо хоног үргэлжилсний дараа оюутнууд үр дүнгээ танилцуулав. Хүн бүр энэ сургуульд юу сурсан, юу сурсан, юунд дуртай, юунд дургүй байсан тухайгаа илтгэлүүдийг бэлдсэн. Үүний дараа баг бүр төслөө танилцууллаа. Бүх багууд даалгавраа биелүүлэв.
Өнгөний тохируулга хийж буй баг төслөө бусадтай харьцуулахад хурдан гүйцэтгэсэн тул хөтөлбөрийнхөө баримт бичгийг бэлтгэх цаг завтай байсан. Замын график дээр ажиллаж байсан баг төслийн үзүүлэнгийн өмнөх сүүлийн өдөр ч гэсэн алгоритмаа боловсронгуй болгож, засахыг оролдсон.
дүгнэлт
Сургуулиа төгсөөд бид оюутнуудаас өмнөх үйл ажиллагаагаа дүгнэж, сургууль тэдний хүлээлтийг хэр хангасан, ямар ур чадвар эзэмшсэн гэх мэт асуултуудад хариулахыг хүссэн. Багаар ажиллах, даалгавар хуваарилах, цагаа төлөвлөх зэрэгт суралцсан гэдгээ нийт сурагчид тэмдэглэв.
Оюутнуудаас мөн суралцсан хичээлийнхээ ашиг тус, хүндрэлийг үнэлэхийг хүссэн. Мөн энд үнэлгээний хоёр бүлэг байгуулагдсан: зарим хичээлүүдийн хувьд тийм ч хэцүү биш байсан бол зарим нь маш хэцүү гэж үнэлэв.
Энэ нь тухайн сургууль нь тухайн чиглэлээр анхлан суралцагчдад хүртээмжтэй хэвээр байгаа төдийгүй туршлагатай оюутнуудын давталт, нэгтгэх материалаар хангаснаар зөв байр суурийг эзэлсэн гэсэн үг юм. Програмчлалын курс (Python) нь төвөггүй боловч ашигтай гэж бараг хүн бүр тэмдэглэж байсныг тэмдэглэх нь зүйтэй. Оюутны хэлснээр хамгийн хэцүү хичээл нь “Компьютерийн архитектур” байв.
Оюутнуудаас сургуулийн давуу болон сул талуудын талаар асуухад багш нар нь цаг алдалгүй, биечлэн туслалцаа үзүүлж, асуултад хариулсан сургалтын арга барил нь таалагдсан гэж олон хүн хариулжээ.
Оюутнууд өдөр тутмын ажлаа төлөвлөх, эцсийн хугацааг өөрсдөө тогтоох горимд ажиллах дуртай гэдгээ ч онцолсон. Сул талуудын хувьд оюутнууд боттой ажиллахад шаардлагатай мэдлэг дутмаг байгааг тэмдэглэв: холбогдох, түүний үйл ажиллагааны үндэс, зарчмуудыг ойлгох.
Бараг бүх оюутнууд тус сургууль хүлээлтээс давсан гэж тэмдэглэсэн бөгөөд энэ нь сургуулийг зохион байгуулах зөв чиглэлийг харуулж байна. Тиймээс дараагийн сургуулийг зохион байгуулахдаа ерөнхий зарчмуудыг баримталж, оюутнууд, багш нарын тэмдэглэсэн дутагдлыг харгалзан үзэж, боломжтой бол арилгах, магадгүй хичээлийн жагсаалт, заах цагийг өөрчлөх хэрэгтэй.
Нийтлэл зохиогчид: баг в
Жич Манай байгууллагын блог шинэ нэртэй боллоо. Одоо энэ нь JetBrains-ийн боловсролын төслүүдэд зориулагдсан болно.
Эх сурвалж: www.habr.com