«Собака-шпион» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

«Собака-шпион» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

Тортышев Т.Д. 1Чистяков И.А. 1Ящук А.И. 1Корючин Р.Э. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Шишкина И.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Сегодня существует большое количество областей, в которых применяются роботы. Это промышленная, сервисная, бытовая, медицинская, военная и другие сферы деятельности. Мир полон опасных для жизни работ. Сейчас в мире наблюдается растущая тенденция использования роботов для выполнения задач, которые могут облегчить людям жизнь. Нашей команде стало интересно, какие технические средства могли бы прийти людям на помощь в бытовом плане.

Целью проекта является создание демонстрационной модели собаки-шпиона на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Задачи:

- изучить основную информацию о роботах, их функциях, местах применения;

- подробно изучить работу роботов-шпионов;

- создать мобильную модель собаки-шпиона на базе конструктора Lego-Mindstorms EV3;

- Разработать программы для собаки-шпиона;

- Презентовать проект.

При написании теоретической части работы мы пользовались информационными сайтами. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [1,2,3].

Глава 1 Основная информация о роботах-шпионах

1.1 Назначение. Области применения

В одной из первых книг посвященной разведке дается такая формулировка: «Все наши сотрудники — это разведчики, а все вражеские — это шпионы». Шпион (англ. Spy) — тайный агент, специально подготовленный для внедрения в инфраструктуру враждебной либо конкурирующей фракции. Целями шпионов могли быть получение ценной информации, сбор компромата, всевозможные закулисные интриги и пр. Шпионом обычно называют того, кто добывает информацию о противнике либо различными тайными способами (подсматривание, подслушивание, в том числе с использованием специальных технических средств), либо путём внедрения на стороне противника, то есть представления себя как его сторонника, либо сочетанием обоих этих путей. Шпионом может называться как штатный работник иностранной разведки, так и гражданин государства, завербованный иностранной разведкой и передающий ей секретные сведения, известные ему благодаря работе, службе или личным связям.

Виды шпионажа:

- военный шпионаж;

- промышленный шпионаж;

- политический шпионаж;

- экономический шпионаж.

Данные роботы представляют собой летающие машины небольших размеров с множеством различных камер и датчиков, искусственным интеллектом и минимальным вооружением. Роботы перемещаются практически бесшумно и с большой скоростью, способны залетать в самые труднодоступные места и распознавать издали звуки, вибрации и другие факторы, указывающие на наличие вероятных противников, куда лучше, чем другое любое живое существо. Обнаружив врага или уловив некую подозрительную активность робот прежде всего посылает сигналы командному центру докладывая обстановку и, по мере возможности, атакует цель. Вооружение у робота-шпиона минимально и состоит либо из небольшого лазера, либо из мелкокалиберного орудия. Бронезащитой он также не может похвастаться и легко поражаем из оружия любого калибра. Однако из-за его размеров (приблизительно с арбуз или резиновый шар) попасть по нему затруднительно, а сам он может сильно навредить.

Роботов-шпионов множество, они заполняют собой все, что можно, добывая информацию о каждом движении [4].

Роботы-шпионы используются для: слежки, наблюдения. Можно использовать в доме, на производстве, на улице.

Компактность и манёвренность позволяет роботам успешно перемещаться практически везде за счёт колёсного хода.

В настоящее время идёт процесс активного внедрения роботов-шпионов в различных отраслях [5,6].

1.2 Роботы-шпионы дома

Роботом-шпионом в быту может оказаться даже робот-пылесос, он может улавливать звуки в помещении. При этом у пылесоса нет встроенного микрофона. Принцип подслушивания несколько иной – вместо микрофона используется лидар (Рисунок 1.2.1, Приложение). Лидар состоит из двух элементов: лазерный излучатель и приемник. Лидар замеряет расстояние до объектов с высокой точностью с помощью лазерного луча. И, как оказалось, при помощи лазера можно отлично слышать все, что происходит вокруг робота-шпиона.

С помощью робота-пылесоса можно:

  • с 96% — определить пол говорящего,

  • с 91% — восстановить произнесенные цифры,

  • с 90% — идентифицировать музыкальные заставки (выбиралось из 10 вероятных),

  • с 67,5% — идентифицировать личность говорящих в помещении людей (также выборка из 10 возможных).

Запись звука происходит так: лидар вращается с частотой 5 Гц, за один оборот записывает 360 значений расстояния. Но такой частоты регистрации недостаточно. Ученые видоизменили электрическую цепь в блоке прибора, чтобы он записывал расстояние без вращения. В таких условиях частота записи вырастает в 360 раз до 1,8 кГц.

Затем данные фильтруют. Распознают пустые фрагменты, которые остаются, когда луч не возвращается обратно. Также отбрасывают низкочастотный шум и усиливают звук в низких частотах. Результирующий сигнал обрабатывают нейросетевыми алгоритмами (Рисунок 1.2.2, Приложение) [7].

1.3 Роботы-шпионы в условиях вне дома

Роботы-шпионы в условиях вне дома бывают:

Гиеновидная собака

Внутри робота-гиены находятся видеокамеры, позволяющие делать прекрасные кадры и наблюдать за поведением животных.

Робот - кенгуру

В конструкции робота используется комбинация пневматического и электродвигателя. Специальный мотор контролирует движение хвоста и лап «кенгуру». Кроме того, у робота есть и маленькие передние «лапы», как у животного. Эти лапы, вместе с хвостом, помогают сохранять правильный баланс.

Робот - обезьянка (Рисунок 1.3.1, Приложение)

Создатели BBC-шоу «Шпион в дикой природе» (Spy In The Wild) подложили обезьянку-робота племени обезьян-лангуров (Индия, штат Раджастан), однако те случайно её уронили, и обезьянка-шпион «умерла». Благодаря скрытой камере, вмонтированной в «шпиона», можно увидеть, как скорбят обезьяны племени. Это видео растрогало и потрясло зрителей, поскольку реакция обезьян на смерть очень похожа на скорбь, испытываемую людьми.

Робот - комар (Рисунок 1.3.2, Приложение)

Робот самостоятельно летает при помощи крыльев, движимых «мышцами», которые позволяют очень быстро работать крыльям.

«Мышцы» робота способны сокращаться 120 раз в секунду, что приводит к соответствующей скорости работы крыльев. Такую частоту взмахов до настоящего времени демонстрировали только живые системы, но теперь и роботизированные системы могут повторить успех своих биологических «собратьев». Авторы проекта утверждают, что за минуту полета робот делает около 7200 взмахов крыльями. Насколько можно понять из объяснения, все это работает за счет пьезоэлектрического «моторчика», приводимого в действие разрядами тока.

Робот - стрекоза (Рисунок 1.3.3, Приложение)

Немецкая компания Festo представила полностью функционального робота-стрекозу, созданного на основе технологии BionicOpter. Он может летать вперед, назад, планировать, летать боком, может совершать резкие повороты, а также очень быстро ускорятся, как настоящая стрекоза. Основанное на строении тела и принципах полета стрекозы, его появление знаменует собой еще один шаг вперед в робототехнике. Робот-стрекоза не такой крохотный, как его естественный аналог — он примерно 44 см в длину, с размахом крыльев чуть более 63 см. Он выглядит как настоящая стрекоза в природе — с двумя парами крыльев, действующими независимо друг от друга, прикреплеными к прочному и легкому корпусу, изготовленному из алюминиевых элементов и слегка выпуклой головой. Он весит всего 175 грамм [8,9].

Глава 2 Созданиемодели робота на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

2.1 Планирование

Мы изучили конструкцию роботов-шпионов, узнали для чего они используются и где применяются и запланировали сделать своего робота, у которого будут следующие задачи:

- Движение;

- Колёсный ход;

- Движение с рулевым управлением;

- Прочная основа для телефона;

- Схожесть с животным.

Перед началом конструирования модели, мы также поставили задачу нарисовать эскиз будущего проекта (Рисунок 2.1.1, Приложение), затем построить модель и написать программу для движения робота.

2.2 Конструкция робота и его функционал

Проект создан на базе конструктора Lego Mindstorms EV3. Включает в себя один программируемый модуль EV3 (Рисунок 2.2.1, Приложение), в основе находятся два средних мотора, в которые вставлены колёса для передвижения робота (Рисунок 2.2.2, Приложение). За счет колёсного хода, слежка в доме более стабильная, повышается маневренность, что гарантирует возможность движения на разных покрытиях пола. На моторы крепятся балки и рамки для прочной основы. С каждой стороны модели установлены металлические вращающиеся шарики, чтобы робот не наклонялся вперёд или назад (Рисунок 2.2.3, Приложение). Также, в основании робота установлена подставка под телефон (Рисунок 2.2.4, Приложение), сконструированная из балок, чтобы собака-шпиона могла снимать всё происходящее на него. С правой стороны робота установлен ультразвуковой датчик (Рисунок 2.2.5, Приложение), который определяет, есть ли стена и можно ли поворачивать направо.

2.3 Программа

Наша программа создана в среде Lego Mindstorms EV3 (Рисунок 2.3.1, Приложение). Структура программы линейная, имеет одно условие, согласно ультразвуковому датчику. Алгоритм программы следующий:

  1. Движение вперёд

  2. Обнаружение стены

  3. Обнаружение конца стены

  4. Остановка

  5. Поворота направо

  6. Видеосъемка (поворот направо и налево)

  7. Возвращение в обратном направлении

В нашей программе мы создали один свой блок «video» (Рисунок 2.3.2, Приложение). Этот блок включает в себя программные блоки для выполнения 6 пункта в последовательности задач в алгоритме программы «Видеосъемка». Внутри блока все команды последовательны. Есть блок Цикл, который можно настроить на любое количество повторов. Он необходим для того, чтобы робот поворачивался направо и налево для съемки пространства. Сколько раз будет повторяться цикл, столько раз робот будет поворачиваться и снимать на видео.

2.4 Презентация проекта

Презентацию проекта (Рисунок 2.4.1, Приложение) мы провели в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни». Нашему роботу было необходимо изучить обстановку в классе, в котором проходило занятие. Для этого мы запустили робота вдоль стены, после того как он обнаружил, что стена закончилась, он заехал в класс и начал наблюдать, затем он быстро выехал из класса и продолжил движение по коридору в обратном направлении.

Заключение

В ходе проектной работы мы подробно изучили основную информацию о роботах-шпионах, их видах, назначениях и устройствах. Мы узнали, что роботов огромное количество, на сегодняшний день существуют разные роботы-шпионы, они могут быть как в виде животных, так и быть обычным бытовым прибором, но с системой наблюдения.

Мы создали мобильную модель собаки-шпиона на базе конструкторского набора Lego Mindstorms EV3. Программа позволяет двигаться вдоль стены, заезжать в комнаты и сканировать пространство.

Далее, мы презентовали свой проект в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни», он вызвал большой интерес.

Из этого следует, что проект «Собака-шпион» можно использовать на уроках робототехники, например, для изучения программного кода в среде Lego Mindstorms EV3, также можно использовать на внеурочных занятиях.

Списоклитературыиинтернетисточники

  1. Курс «Робототехнический Центр», курс «Соревновательная робототехника», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://mrbrainy.ru/;

  2. Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

  3. Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;

  4. https://roboting.ru/678-robot-shpion.-vozmozhny-varianty.html

  5. https://apocalypse.fandom.com/ru/wiki/Робот-шпион

  6. http://nacekomie.ru/zhurnalnye-serii-2012/robot-shpion-zhurnal.html

  7. https://habr.com/ru/companies/selectel/articles/529048/

  8. https://4lapki.com/2020/02/zhivotnye-shpiony

  9. https://www.techinsider.ru/science/369492-roboty-shpiony-pritvoryayutsya-dikimi-zhivotnymi/

Приложение

Рисунок 1.2.1 Лидар

Рисунок 1.2.2 Обработка нейросетевыми алгоритмами

Рисунок 1.3.1 Робот-обезьянка Рисунок 1.3.2 Робот-комар

Рисунок 1.3.3 Робот-стрекоза Рисунок 2.1.1 Эскиз

Рисунок 2.2.1 Модуль EV3 Рисунок 2.2.2 Два средних мотора с колёсами

Рисунок 2.2.3 Вращающиеся металические шарики Рисунок 2.2.4 Подставка под телефон

Рисунок 2.2.5 Ультразвуковой датчик

Рисунок 2.3.1 Программный код

Рисунок 2.3.2 Подпрограмма «video»

Рисунок 2.4.1 Презентация проекта

Просмотров работы: 147