Задача

В рамках федерального проекта «Передовые инженерные школы» Минобрнауки России, нацеленного на подготовку инженерных кадров для технологического развития страны, Передовая инженерная школа «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) реализует инициативы по интеграции современных цифровых технологий в образовательный процесс.

Одной из ключевых задач ПИШ СПбПУ является формирование непрерывной системы инженерного образования «школа – колледж – вуз – промышленность». Для этого разрабатываются инновационные образовательные инструменты, которые позволяют учащимся уже на школьном этапе осваивать навыки, востребованные в высокотехнологичных отраслях.

В рамках этой стратегии был создан малогабаритный колесный автономный робот (МКАР) – учебно-методический комплекс, направленный на углубленное изучение робототехники, программирования и принципов работы беспилотных систем. Проект реализован совместно с Академией цифровых технологий и при поддержке Комитета по образованию Санкт-Петербурга.

МКАР предназначен для:

• Школьников — для освоения базовых и продвинутых навыков программирования на Python, работы с ROS (Robot Operating System), проектирования алгоритмов навигации и управления беспилотным транспортом.
• Педагогов — в качестве готового решения для проведения уроков, внеклассных занятий и подготовки к соревнованиям по робототехнике.
• Образовательных учреждений — как инструмент интеграции передовых инженерных практик в учебные программы.

Главная цель МКАР – сделать изучение технологий беспилотного транспорта доступным и увлекательным. Робот оснащен системами ориентации в пространстве, а его виртуальный симулятор позволяет проводить отладку ПО без физического устройства. Это не только снижает барьер входа для начинающих, но и готовит учащихся к решению реальных задач, с которыми сталкиваются инженеры в области беспилотных систем.

Проект также решает задачу ранней профориентации: через практическую работу с МКАР школьники знакомятся с инженерными профессиями, учатся мыслить системно и применять знания в области IT, математики и физики для создания функциональных решений.

Таким образом, МКАР стал важным шагом в реализации модели сквозного образования, объединяя усилия школ, вузов и промышленных партнеров для подготовки нового поколения инженеров, готовых к вызовам цифровой эпохи.

Решение

Проект малогабаритного колесного автономного робота (МКАР) предлагает комплексное образовательное решение, сочетающее инновационную аппаратную платформу, специализированное программное обеспечение и методические материалы. МКАР представляет собой компактную робототехническую модель, спроектированную для изучения основ программирования беспилотных систем, робототехники и промышленных технологий.

Технические особенности:

• Автономная навигация: Робот оснащен датчиками ориентации в пространстве (лидары, сенсоры), аналогичными тем, что используются в промышленных системах управления беспилотным транспортом. Это позволяет ему двигаться без участия оператора, избегая препятствий и выполняя задачи в реальном времени.
• Двойная среда разработки: На базе физической модели МКАР создана виртуальная модель-симулятор, которая имитирует поведение робота в цифровом пространстве в двух вариантах: как образ виртуальной машины и как образ для Clonezilla для развертывания на ПК. Это позволяет учащимся тестировать и отлаживать алгоритмы на Python без необходимости использования физической модели, сокращая время разработки и минимизируя риски повреждения устройства.
• Адаптивность конструкции: Большинство компонентов робота (корпус, шасси, крепления) спроектированы для изготовления методами 3D-печати.

Аппаратно-программный комплекс

Верхний и нижний уровни управления МКАР

Лидары и датчики дистанции

Драйверы двигателя и бортовая система поворота

Previous Next

Образовательный функционал:

• Полный цикл обучения: МКАР сопровождается учебно-методическим комплектом, включающим более 400 страниц материалов – от базовых уроков по Python до продвинутых заданий по работе с ROS (Robot Operating System). Школьники учатся писать код для управления движением, настройки навигации и обработки данных с датчиков.
• Соревновательная практика: Платформа интегрирована в формат соревнований, таких как «Программирование беспилотных систем». Участники решают задачи по автономному прохождению лабиринтов, что развивает навыки проектного мышления и командной работы.
• Поддержка педагогов: Для учителей разработаны курсы повышения квалификации, где они осваивают работу с МКАР, учатся интегрировать его в учебные программы и готовить учеников к участию в олимпиадах.

Масштабируемость проекта:

• Тиражирование в школах: К концу 2024 года изготовлено 45 моделей МКАР, переданных в 15 школ Санкт-Петербурга. Каждый комплект включает робота, методические материалы и доступ к симулятору.
• Сетевой подход: Проект реализуется в партнерстве с Академией цифровых технологий, которая координирует распределение устройств по школам и организует мероприятия для учащихся.
• Связь с индустрией: Использование промышленных технологий (например, ROS) обеспечивает преемственность между учебными задачами и реальными кейсами в области автономного транспорта.

Ключевые преимущества:

1. Доступность: Упрощенная конструкция и открытая документация делают МКАР идеальным решением для школ с ограниченным бюджетом.
2. Практико-ориентированность: Ученики работают с теми же инструментами, что и инженеры в сфере беспилотных систем.

МКАР – это не просто робот, а полноценная экосистема, которая объединяет технологии, образование и индустриальные стандарты, помогая школьникам сделать первые шаги в профессии и подготовиться к вызовам цифровой экономики.

Видео о проекте

Детали

Проект малогабаритного колесного автономного робота (МКАР) сочетает в себе тщательно продуманную техническую базу, образовательную методологию и инфраструктурную поддержку.

Техническое устройство МКАР

Аппаратная часть:

Шасси: Унифицированная модульная конструкция, адаптированная для 3D-печати.

Сенсоры:

• Лидар (RPLidar A1m12).
• Инфракрасные датчики дистанции (Vl6180x) для обнаружения препятствий.

Вычислительный модуль: Одноплатный компьютер (например, Raspberry PI4 или аналоги) с предустановленной ROS (Robot Operating System).

Привод: Электродвигатели c бортовой системой поворота для точного управления скоростью и направлением движения.

Программный комплекс:

• ROS-интеграция: Робот поддерживает стандартные пакеты ROS, что позволяет учащимся работать с промышленными инструментами.
• Виртуальный симулятор: Реализован на базе Gazebo. Имитирует физику движения, данные с датчиков и взаимодействие с виртуальными объектами.
• Библиотеки Python: Готовые модули для управления движением, обработки данных сенсоров и настройки автономных сценариев.

Виртуальное представление работы МКАР (симулятор)

Виртуальное представление работы МКАР (симулятор)

Виртуальное представление работы МКАР (симулятор)

Previous Next

Учебно-методический комплекс

Учебное пособие:

• Объем: 400+ страницс иллюстрациями, примерами кода и пошаговыми инструкциями.
• Содержание:

– Основы Python для робототехники.

– Работа с ROS: создание узлов, топиков, сервисов.

– Алгоритмы SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) и навигации.

– Примеры проектов: от простых (движение по линии) до сложных (автономное прохождение лабиринта).

Курс обучения:

• Этап 1:Знакомство с интерфейсом симулятора и базовыми командами.
• Этап 2:Программирование физического робота – калибровка датчиков, настройка двигателей.
• Этап 3:Разработка автономных алгоритмов (например, движение по карте с избеганием препятствий).
• Этап 4:Участие в соревнованиях и защита проектов.

Учебное пособие для курса

Учебное пособие для курса

Previous Next

Процесс реализации проекта

Разработка и сертификация:

• МКАР прошел процедуру сертификации, что позволяет СПбПУ официально передавать модели в образовательные учреждения.
• Изготовлено 45 роботов (2024 г.), каждый укомплектован:

– Физической моделью.

– Технической документацией.

Обучение педагогов:

• Проведены курсы повышения квалификации для 14 школ Санкт-Петербурга.
• Программа для учителей включает:

–Настройку МКАР.

–Методики интеграции робота в уроки информатики, физики, технологии.

–Подготовку к организации соревнований.

Интеграция в образовательный процесс:

• Роботы переданы во временное пользование школам для:

– Урочной деятельности (факультативы, проектная работа).

– Внеклассных занятий (кружки, инженерные мастерские).

– Участия в олимпиадах (например, Национальной технологической олимпиаде).

Партнеры и инфраструктура

• Академия цифровых технологий:
  • Координирует распределение МКАР по школам.
  • Организует соревнования (например, юниорскую линейку «Программирование беспилотных систем»).
• Комитет по образованию Санкт-Петербурга:
  • Поддержка на уровне городских программ и финансирования.
  • Интеграция МКАР в стратегию развития инженерных классов.
• Промышленные партнеры:
  • Использование промышленных стандартов (ROS, Gazebo) обеспечивает связь с реальными кейсами беспилотного транспорта.

Перспективы развития

Перспективы развития проекта включают расширение функционала МКАР: внедрение модулей компьютерного зрения для распознавания объектов, интеграцию с IoT-платформами и создание упрощенной версии для младших школьников. Планируется масштабирование инициативы на другие регионы России, а также включение МКАР в программы всероссийских олимпиад и хакатонов, таких как WorldSkills Russia.

Таким образом, МКАР – это не просто учебный робот, а комплексная экосистема, объединяющая инженерные инновации, педагогические методики и сетевую коллаборацию. Его детализация демонстрирует, как современные технологии могут стать основой для формирования навыков, востребованных в эпоху цифровой трансформации.

Технологии