Алгоритм успеха: исследование и оптимизация конструкции и программы робота для соревнований "Большое путешествие" (LEGO SPIKE Prime)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Малая П.П. 1Канатова С.А. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Блинова К.П. 1Мерамов Д.Р. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность темы: Робототехника является ключевой технологией XXI века, объединяющей знания из физики, информатики и инженерии. Соревнования, такие как «Большое путешествие» (См. рис.1.1 Приложения) в рамках Фестиваля «Робофинист», служат эффективной образовательной площадкой. Они позволяют учащимся на практике освоить цикл инженерного проектирования: от постановки задачи через создание и тестирование прототипа к его оптимизации. Успех зависит не только от умения программировать, но и от способности анализировать, экспериментировать и адаптироваться к меняющимся условиям.

Проблема: Задание «Большое путешествие» для младшей категории является комплексным. Робот должен за одно включение автономно выполнить несколько разнородных задач: следование по линии (в том числе с горкой и препятствием), прохождение лабиринта и выталкивание кеглей. Часто перед командами встает дилемма: создать одного «универсального» робота для всех миссий или нескольких специализированных? Как найти баланс между скоростью, точностью и надежностью в рамках строгих ограничений по габаритам и весу?

Гипотеза исследования: Мы предполагаем, что наиболее эффективной стратегией является создание не одной универсальной конструкции и программы, а поэтапный анализ и доработка точных функций робота после каждой неудачной попытки.

Цель работы: Экспериментально подтвердить гипотезу путем разработки, сравнительного тестирования и оптимизации конструкции и программного обеспечения робота для соревнований «Большое путешествие».

Глава 1. Общие сведения

1.1 Задачи исследования

Выделим следующие задачи исследования, которые необходимо провести:

• Проанализировать регламент соревнований «Большое путешествие» и формализовать технические требования к роботу.

• Разработать базовую модульную конструкцию робота, обеспечивающую выполнение всех заданий.

• Создать и протестировать библиотеку алгоритмических блоков (модулей программы) для каждой миссии.

• Провести серию сравнительных испытаний (тест-драйвов) для оценки ключевых характеристик робота: скорость прохождения трассы, точность позиционирования, надежность работы датчиков и стабильность результатов.

• На основе данных испытаний определить оптимальную конфигурацию робота и параметры его программы.

• Апробировать финальный вариант на соревнованиях и проанализировать результаты.

1.2 Объект, предмет и методы исследования

Объект исследования: Процесс подготовки робототехнического комплекса к соревнованиям «Большое путешествие» (младшая категория).

Предмет исследования: Конструктивные особенности и алгоритмы управления автономным роботом на базе конструктора LEGO SPIKE Prime. (См. рис. 1.2 Приложения)

Методы исследования: анализ литературы и регламентов, компьютерное и физическое моделирование, программирование, сравнительный эксперимент, статистическая обработка данных испытаний.

Практическая значимость: Результаты работы, включая описание типовых ошибок, успешных конструкторских решений и структуры программы, могут быть использованы другими командами-новичками для ускорения процесса подготовки к соревнованиям.

Опыт команды: Исследование проводилось в течение двух лет командой в составе: Канатова Софья Андреевна и Малая Полина Павловна (ФТ «Сириус»). За это время мы прошли путь от первых неудач до призовых мест, что позволило накопить богатый практический материал. Наши результаты:

• Призеры (2 место) регионального этапа «КиберБот 2025» (Волгоград). (См. рис. 1.3 Приложения)

• Призеры (2 место) отборочного этапа «РобоФинист 2025» (ФТ «Сириус»). (См. рис. 1.4 Приложения)

Глава 2. Основная часть

2.1 Анализ задачи и проектирование робота

Мы изучили регламент, выделив ключевые требования: автономность, габариты (250х250 мм), вес (<1 кг). Задание состоит из четырех полигонов (См. рис 2.1), суммарно на них можно заработать 200 баллов:

• «Следование по линии» (40 баллов): Требует точного алгоритма с использованием датчиков цвета.

• «Лабиринт» (80 баллов): Ключевая миссия по баллам. Требует надежного алгоритма поиска выхода (например, «правой руки»).

• «Следование по линии с горкой» (40 баллов): Добавляет требование к мощности моторов и устойчивости конструкции.

• «Кегельринг» (40 баллов): Требует механизма-толкателя и точного заезда в круг.

Вывод по разделу: Робот должен быть компактным, с низким центром тяжести (для горки), иметь надежную систему сенсоров (2 датчика цвета для линии, датчик расстояния для лабиринта/препятствия) и простой, но эффективный механизм для работы с кеглями.

2.2 Конструкция робота: от прототипа к финальному решению

Базовый прототип: В основу легла модель с дифференциальным приводом (2 мотора на ведущих колесах, 2 опорных ролика сзади). Использованы: Smart Hub SPIKE Prime, 2 больших мотора, клешни для выталкивания банок, 2 датчика цвета, 1 датчик расстояния.

Эволюция конструкции (См. рис. 2.2.1 и 2.2.2 Приложения)

• Шасси: Тестировали разную ширину колесной базы. Узкая база – маневреннее в лабиринте, но менее устойчива на горке. Выбрали компромиссный вариант.

• Расположение датчиков: Ключевым стало точное расположение датчиков цвета относительно колес для корректного поворота на перекрестках линии.

• Механизм для кегельринга: Перепробовали сложные захваты и откидные рамки. В итоге остановились на простых клешнях из двух дважды изогнутых балок и двух шестерёнок.

Адаптивность: Финальная программа позволяла за 1-2 минуты стабилизировать небольшие неполадки.

2.3 Разработка и тестирование программы

Программа была разбита на 4 независимых слота в среде программирования SPIKE (Рис. 2.3), что соответствует последовательности миссий.

Слот 1-3 (Линия, Лабиринт, Линия с горкой): Основой стал ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный алгоритм) для плавного и быстрого движения по линии. Для лабиринта использовался модифицированный алгоритм «правой руки» с использованием датчика расстояния.

Слот 4 (Кегельринг): Алгоритм включал въезд в круг по простой траектории и с помощью клешней выталкивание кегли за границы круга.

Тестирование: Каждый слот тестировался отдельно не менее 50 раз для расчета процента успешного выполнения. Основные проблемы: занос на горке, сбой датчиков на ярком свету, неточный разворот в кегельринге. Для каждой проблемы находилась «тонкая настройка»: коррекция мощности моторов, калибровка датчиков под освещение, точный подбор угла поворота.

2.4 Сравнительный эксперимент и путь к результату

Мы фиксировали результаты каждого тестового заезда и выступления на соревнованиях в таблицы: успешность выполнения каждой миссии, общее время, причины сбоев. ( См. рис. 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4 Приложения)

Анализ неудач (г. Минск, г. Волгодонск): Основные причины – недоучет внешних условий (другое покрытие поля, освещение) и недостаточная стабильность (робот выполнял задание 7 из 10 раз, а нужно 9 из 10). Это подтвердило необходимость адаптивности.

Анализ успехов (г. Волгоград, ФТ Сириус): Перед этими стартами мы выделяли время на «полевую настройку»: приезжали раньше, делали десятки тестовых заездов на именно том поле, где будут соревнования, и вносили минимальные коррективы в программу (значения мощности, пороги датчиков). Это и стало практическим подтверждением нашей гипотезы: базовый робот + быстрая адаптация = успех.

Заключение и выводы

Наша гипотеза полностью подтвердилась. Разработанный нами модульный и адаптивный подход к созданию робота оказался эффективнее поиска единой универсальной конструкции. Ключ к победе лежит в возможности быстро калибровать и настраивать робота под конкретные условия.

В ходе исследования была достигнута поставленная цель: создан и оптимизирован робот, который доказал свою конкурентоспособность, дважды заняв 2-е место на региональных отборочных этапах.

Главным конструктивным решением стала простота и надежность: отказ от сложных механизмов в пользу простых клешней для выталкивания кегль и стабильной колесной базы. (См. рис. 4.1 Приложения)

Главным программным решением стало разделение кода на независимые, тонко настраиваемые модули (слоты) и обязательный этап «полевой калибровки».

Практические рекомендации для других команд:

• Начните с простой и крепкой конструкции.

• Тестируйте каждый алгоритм сотни раз.

• Всегда планируйте время на адаптацию робота к месту соревнований.

• Ведите подробный журнал испытаний – это помогает анализировать ошибки.

Перспективы работы: В дальнейшем мы планируем усовершенствовать алгоритм прохождения лабиринта для увеличения скорости, а также автоматизировать процесс калибровки датчиков с помощью отдельной программы-помощника.

Список использованных источников

• Официальный регламент соревнований «Большое путешествие» (Робофинист, младшая категория), 2023-2024 гг. https://cdn.robofinist.ru/files/289741/filename/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B5%20%D0%BF%D1%83%D1%82%D0%B5%D1%88%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5%20%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%80%D1%88%D0%B0%D1%8F%20%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F.pdf

• Инструкция и справочные материалы по конструктору LEGO Education SPIKE Prime. https://education.lego.com/en-us/downloads/spike-app/software/

• Филиппов С.А. «Робототехника для детей и родителей». – СПб.: Наука, 2019.

• Онлайн-сообщество и ресурсы для участников соревнований WRO и Робофинист.

Приложения

рис.1.1 Соревнования «Большое путешествие» младшая категория образовательные конструкторы

рис.1.2 Базовый набор конструктора Lego Education Spike Prime