Ориентирование робота и человека в условиях ограниченной видимости

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

Ориентирование робота и человека в условиях ограниченной видимости

Соболев М.Н. 1Любивый Н.С. 1
1МАОУ "СОШ № 6 г.Челябинска", 6 класс
Суворова И.П. 1
1МАОУ "СОШ № 6 г.Челябинска"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

На протяжении многих веков люди изобретают механизмы, способные облегчить нашу жизнь. Их уже несчетное множество, но, безусловно, самым высоким достижением человеческой мысли являются всевозможные роботы. Человечество с древнейших времен пыталось создать механизмы, которые могли бы сами выполнять тяжелую или вредную для людей работу. Сегодняшняя робототехника сформировалась примерно в 50-х годах ХХ века. В 1956 году Джорджем Диро и Джозефом Энжилбергером был создан робот Ultimate, который сразу был куплен компанией General Motors. Ultimate представлял собой огромную конструкцию, похожую на человеческую руку. [6]

Примерно в это же время была основана лаборатория искусственного интеллекта в Массачусетском технологическом институте. Современные роботы должны не просто видеть картинку и передавать ее оператору, они должны самостоятельно распознавать на ней те или иные объекты, будь то террорист в толпе или танк противника.

В настоящее время исследуются и применяются различные устройства для распознавания образов, искусственные глаза для чтения букв и цифр, искусственные уши для восприятия речи, различные виды тактильных датчиков и другие аналоги органов чувств. Несомненно, что некоторые эти исследования облегчат решение проблемы общения между человеком, вычислительными машинами и другими устройствами. Разрабатываемые сейчас устройства пригодятся впоследствии для использования в роботах.[8]

Поэтому тема выбранная нами для исследования очень актуальна. Нам стало интересно: действительно ли робот может заменить человека в некоторых условиях и как будет себя вести человек и робот в условиях ограниченной видимости.

Цель исследования: Выявить значимость робота в условиях ограниченной видимости.

Исходя из этого, мы поставили перед собой следующие задачи:

Изучить существующие условия ограниченной видимости;

Изучить работу органа зрения человека;

Изучить работу датчиков ощущения робота;

Провести сравнительный анализ органов зрения человека и датчиков ощущения робота;

Объекты исследования: человек и робот на базе конструктора EV3.Предмет исследования: орган зрения человека — глаза и датчики робота — расстояния и цвета.

Методы исследования: изучение литературы, практический опыт, анализ, обобщение, оформление результатов.

Итоговый продукт: модель робота, программы для работы робота. Практическая значимость работы: результаты помогут сделать выводы о необходимости применения роботов в жизни человека.

Постановка проблемы:

Всё началось с того, что мы в интернете прочитали историю, как в августе 2015 года у слепой москвички Юли украли собаку — поводыря.[7] Мы задумались: как жизнь Юли зависит от другого объекта — собаки. Ведь собака живое существо и контроль над ее поведением можно потерять в любой момент. А если бы у Юли было какое-нибудь устройство с глазами и возможностью подавать ей сигналы об окружающей обстановке? Конечно, таким устройством может быть только робот. А что есть у робота? Как робот может себя вести в различных ситуациях? Так и возникла проблема: «Как поведет себя человек и робота в условиях ограниченной видимости, как работают у них органы зрения?». А все ли могут роботы, совершенней ли они чем человек? Из литературы мы узнали, что слово «робот» произошло от словацкого «robota», что обозначает главную задачу роботов: помогать человеку делать тяжелую и опасную для здоровья работу.

    2 Основная часть

Из всех известных органов чувств организма главная роль принадлежит зрительному аппарату, с помощью которого человек получает около 90% информации о внешнем мире. Самая главная функция зрения - познавательная.[3] Зрение играет важную роль в предметно – практической, игровой, трудовой, учебной, коммуникативной деятельности. В трудовой деятельности человека оно обеспечивает саморегулирование и самоконтроль движений. В коммуникативной деятельности нарушение зрения затрудняет понимание верных слов и соотнесение их с фактами, восприятие партнера в общении. Особенно велико значение зрения в процессе учебы: при чтении, письме, изобразительной деятельности, восприятии произведений искусства, при выполнении лабораторных и практических работ, связанных с визуальным наблюдением и измерительными действиями. Деятельность зрительных функций лежит в основе формирования эстетических чувств, восприятия явлений природы, живописи, архитектуры. Эмоциональное, физическое развитие и пространственная ориентация также зависит от состояния зрительных функций. [8] При утрате зрения у человека прежде всего страдает пространственная ориентация. Чем раньше это происходит, тем большие трудности испытывает слепой в пространственной ориентации. Пространственная ориентация характеризует местоположение человека в пространстве относительно либо своего тела, либо окружающего его предмета. Ориентацию в пространстве определяют как процесс решения трех задач: “выбор направления”, “сохранение направления”, “обнаружение цели”.[9]

Люди без зрения или с плохим зрением для ориентации в пространстве используют:

1. Белую трость, которая частично восполняет слепым зрение, помогая ориентироваться в пространстве, и побуждает окружающих быть более внимательным к людям с ней.[10]

2. На улицах, в торговых центрах, на поручнях встречается необычная желтая ребристая плитка на тротуарах — это тактильный наземный указатель, который помогает людям с ограничениями по зрению ориентироваться в пространстве. На парковках, в транспорте и в других общественных местах также используются тактильные пиктограммы — наклейки, изображающие вспомогательные знаки (место для инвалида, медицинский пункт, столовая и так далее).[11]

3. Собак-поводырей специально обученное животное, которое может помогать слепым и слабовидящим людям передвигаться вне помещений и избегать препятствий.[12]

4. Зрячего человека.

Проблемы ориентации в пространстве могут возникать не только у людей с нарушением зрения, но и у людей оказавшихся в темноте, тумане или плохих погодных условиях. В таких случаях человек применяет световые приборы, так как глаза человека неспособны видеть в темноте.

У лего-роботов есть определенные датчики ощущений, чтобы они могли успешно выполнять задания, обходясь без вмешательства человека, и ориентироваться в пространстве при различных условиях и времени суток. Некоторые из них будут аналогами органов чувств человека, например: зрение. В настоящее время для учебных целей известны роботы 3х видов: на базе конструкторов RCX, NXT и EV3. (Приложение. Рис.2Микропроцессоры лего-роботов)

Для проведения исследования органов чувств робота мы определились с выборов лего-робота.[1, 2, 4, 5]

Для этого:

1. Сравнили наличие, возможности и способы настройки органов чувств;

2. Изучили среды программирования для лего-роботов: интерфейс, возможности, простоту и наглядность:

3. Рассмотрели детали конструктора, надежность крепления;

4. Рассмотрели и изучили микропроцессоры лего-роботов ;

5. Протестировали на выполнение операции перемножения двух чисел тысячу раз (тест на производительность).

На основе полученных сведений составили таблицу:

Название параметра

RCX

NXT

EV3

Количество базовых конструкций в наборе

3

4

5

Моторы, шт

2

Большие — 3

Большие — 2 (Позволяет запрограммировать точные и мощные действия робота);Средний — 1 (Сохраняет точность, но менее мощный)

Датчики

Касания — 1;Света – 1;

Касания — 1;Света – 1;

Цвета -1 на 6 цветов;Расстояния ульразвуковой — 1

Касания — 2;

Света – 1;

Цвета -1 на 8 цветов;

Расстояния ульразвуковой — 1;Гироскоп - 1

Микропро-цессор

3 порта для подключения моторов;Динамик тихийКнопки управления - 3 штВремя включения — 20 сек

3 порта для подключения моторов;

Динамик тихий;Кнопки управления — 4 шт;Время включения — 15 сек

4 порта для подключения моторов;Динамик - Высококачественный громкий;Кнопки управления — 6 шт с подсветкой;Время включения — 30 сек

Способ загрузки программ

Через ИК-порт

Через USB — провод с большим портом

Через USB — провод с маленьким портом

Подключение к микропроцессору других устройств

Нет

Нет

Да: Дополнительный порт USB;

Разъем под флеш-карту

Производительность (скорость выполнения написанной ранее программы)

120 секунд

75 секунд

15 секунд

Время считывания с датчика цвета показания и запись их в переменную тысячу раз

Не проводился — нет датчиков цвета

50 секунд

15 секунд

Время считывания с датчика расстояния показания и запись их в переменную тысячу раз

Не проводился — нет датчиков расстояния

1 минута (17 раз за секунду)

2 секунды

Крепеж деталей

Ненадежные, распадаются от небольшого давления

Крепкие, надежные

Крепкие, надежные

Крепеж моторов и датчиков

Ненадежные, распадаются от небольшого давления

Круглое отверстие посередине

Крестообразное отверстие посередине для фиксации осей. У больших моторов крепление смещено на одно отверстие относительно оси.

Вывод: К лего-роботу на базе RCX мы сразу потеряли интерес из-за устаревшей модели, более сложной среды программирования, отсутствия достаточного количества датчиков и моторов. Для исследования органов зрения лего-робототов мы выбираем робота третьего поколения - робота на базе конструктора EV3. Так как:

1. Это современные роботы с приятным внешним видом;

2. Программное обеспечение простое в понимании и применении, выполненное на основе визуального интерфейса;

3. Датчики LEGO MINDSTORMS EV3 — это совершенно новые датчики, которые имеют улучшенный интерфейс и рабочие характеристики, а также обеспечивают бoльшую скорость и точность по сравнению с датчиками NXT.

4. Датчик цвета EV3 может обнаруживать 7 цветов (и отсутствие цвета), тогда как датчик цвета NXT может обнаруживать только 6 цветов Датчик цвета EV3, имеет режим отраженного света, который удаляет фоновое освещение.

5. К микропроцессору EV3 можно подключать датчики и моторы конструктора NXT;6.Большая мощность за счет усовершенствования моторов, в скорости и точности опрашивания своего датчика.[17]

Для ориентирования в пространстве у роботов есть свои органы зрения: ульразвуковой датчик расстояния, датчик цвета. Эти датчики мы и будем исследовать в практической части своей работы.[1, 2, 4, 5]

Органы чувств (зрение) робота EV3[1, 5]:

Название датчика

Изображение

Описание

Ульразвуковой датчик расстояния

 

Основная функция ультразвукового датчика – это определение расстояния. Для этого датчик испускает звуковые волны и принимает их «эхо».Основные возможности ультразвукового датчика EV3:

Диапазон измерения расстояния: 3 - 250 см.

Точность измерений : +/- 1 см

Красная LED подсветка вокруг "глаз"

Датчик цвета

 

Датчик цвета — это цифровой датчик, который определяет цвет или яркость света, поступающего в небольшое окошко на лицевой стороне датчика. Датчик работает в трех разных режимах: в режиме «Цвет», в режиме «Яркость отраженного света» и в режиме «Яркость внешнего освещения».

В режиме «Цвет» датчик цвета распознает семь цветов: черный, синий, зеленый, желтый, красный, белый и коричневый, отсутствие цвета.

В режиме «Яркость отраженного света» датчик цвета определяет яркость света, отраженного от лампы, излучающей красный свет. Датчик использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый). Робот может двигаться по белой поверхности до тех пор, пока не будет обнаружена черная линия, или распознать карточку с цветовым кодом.

В режиме «Яркость внешнего освещения» датчик цвета определяет силу света, входящего в окошко из окружающей среды, например солнечного света или луча фонарика. Датчик

использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый). Робот может быть подавать сигнал утром, когда восходит солнце, или прекращать действие, если свет гаснет.

    3 Практическая часть
    3.1 Исследование органов зрения человека

Свои исследования мы начали с органа зрения человека – глаз.

Провели опыты с двумя карандашами. Суть опыта: взять два карандаша, по одному в каждую руку, поместить их горизонтально на уровне глаз на расстоянии около 30 см от лица. Между кончиками карандашей должно оставаться расстояние около 5 см, держа оба глаза открытыми. Попытаться медленно совместить эти карандаши. Каждый из нас легко справился с заданием. А вот когда мы попытались повторить опыт с одним открытым глазом – это оказалось выполнить не так – то просто.

Оказывается наше зрение - бинокулярное каждый глаз видит окружающие предметы отдельно от другого и под разным углом. Благодаря изображению от двух глаз мы получаем объемную картинку.

Далее определили свой основной глаз. Надо взять круглый шарик, положить его на расстоянии 5 метров от себя и смотреть на него то одним, то другим глазом. Когда закрываешь глаз, изображение прыгает, а когда закрываешь другой – остается на месте. Изображение прыгает, когда ты закрываешь основной глаз.

У нас основной правый глаз. И когда нам нужен один глаз, мы автоматически используем основной глаз.

Для проверки своего цветовосприятия лучше использовать полихроматические таблицы Рабкина, применяемые в современной офтальмологии для определения проявлений дальтонизма.[13]

Мы взяли карточку из цветных точек, рассмотрев ее, увидели в центре цифру пять (Приложение. Рис.1 Таблица Рабкина №8). Следовательно, наше цветовосприятие соответствует норме.

Для исследования поведения человека при отсутствии видимости, Никите завязали глаза и он попытался двигаться. Движение получилось криволинейным и хаотичным. Для ориентирования использовал руки, ими он ощупывал предметы. Находясь с завязанными глазами в знакомом помещении (кабинет информатики), Никита смог дойти до дверей кабинета, так как помнил расположение предметов. В незнакомом кабинете (кабинет завучей) Никита потерял ориентацию и смог найти выход, только идя вдоль стены, опираясь на него руками и натыкаясь на предметы. Действительно, глаза у человека самый важный орган, с плохим зрением или его отсутствием человек испытывает трудности в движении. Но не теряет возможности двигаться совсем, так как в мозгу человека существует особый участок. У зрячих людей он отвечает за зрение. И если человек слепнет, то мозг восполняет его, наращивая нейроны. Именно поэтому незрячий видит вещи, которых в реальности никогда не видел. Мозг — как бы его глаза. Ему достаточно хорошо ощупать любой предмет, и он тут же представляет его в голове.[14]

    3.2 Исследование органов чувств у робота

Для исследований органов чувств зрения мы:

1. Собрали робота EV3 с датчиком расстояния и датчиком цвета [1, 5] (Приложение. Робот на базе конструктора EV3);

2. Написали и протестировали программу для работы датчика расстояния (Приложение рис.3 Программа с датчиком расстояния). Робот едет прямо, если расстояние до препятствия 5 сантиметров, робот останавливается, издает звуковой сигнал и поворачивает назад;

3. Написали и протестировали программу для работы датчика цвета [1, 5] (Приложение рис.4 Программа с датчиком цвета). В программе мы имитировали переход через пешеходный светофор: если красный — стоим, зеленый — идем. Робот едет прямо, видит перед собой зеленый цвет, останавливается, издает звуковой сигнал «Green» и снова продолжает движения до тех пор, пока не увидит перед собой красный цвет. Тогда он издает звуковой сигнал «Red» и останавливается.

    4 Заключение

В результате выполнения своей работы мы достигли поставленной цели через выполнение выше указанных задач и пришли к выводу, что зрительная сенсорика робота копирует функции зрительного аппарата человека, условные «глаза» имитируются комбинацией нескольких технологий, аппаратных и программных. Поведение человека и робота в одинаковых условиях похожи. На данный момент главными достижениями в развитии сенсоров роботов можно назвать визуальные – отвечающие за «зрение» робота, способность распознавать человека, группы людей, жесты и др., и звуковые – отвечающие за такие способности робота, как слух, интерпретация речи, обнаружение источника звука.[15]

С инженерной точки зрения сетчатка человеческого глаза является слабой конструкцией. Свет, достигающий чувствительных клеток, прежде чем попасть на оболочку, должен пройти через нервные волокна и клетки, что приводит к его значительному ослаблению. Или так называемому слепому пятну. Глаза робота лишены этого недостатка. Это относится и к чувствительности. Устройства, чувствительные к инфракрасному, ультрафиолетовому и любому другому типу электромагнитного излучения, будут полезны для выполнения определенного вида занятий. Например, подвижные роботы могут обнаружить перегрев транспортного средства. В отличие от людей, роботу не нужно моргать и умываться. Соответственно, в условиях с ограниченной видимостью, робот более надежен, чем человек.

Роботы должны быть снабжены определенными датчиками ощущений, чтобы они могли успешно выполнять задания, обходясь без вмешательства человека. Некоторые из них будут аналогами органов чувств человека, таких, как слух, зрение, тактильная чувствительность.

Проведя исследования, мы выяснили, что робот может помогать человеку ориентироваться в условиях ограниченной видимости, заменить органы зрения слепым людям. В подтверждение своих выводов мы можем сослаться на разработку японских ученых. В 2013 году они создали робота-поводыря. Их идея поможет людям с плохим зрением легко перемещаться в незнакомом помещении. Робот представляет собой трость, имеющий сразу три опоры. В передней части этого изобретения расположена масса различных сенсоров и датчиков, информацию с которых обрабатывает небольшой бортовой компьютер. Lightbot сообщает своему владельцу, что перед ним - препятствие, и помогает его миновать. Помимо этого, робот может предупредить о том, что впереди - яма или что его владельцу нужно пригнуться, дабы не зацепиться головой за ветку дерева.[16]

    5 Приложение

Рис.1 Микропроцессоры лего-роботов

Рис. 2 Таблица Рабкина №8

Рис.3 Робот на базе конструктора EV3

Рис.4 Программа с датчиком расстояния

Рис.5 Программа с датчиком цвета

    6 Список литературы

1. Л.Ю.Овсяницкая, Д.Н.Овсяницкий, А.Д.Овсяницкий. Курс программирования робота LegoMindstormsEV3 в среде EV3: основные подходы, практические примеры, секреты мастерства. М.: Издательство «Перо», 2015. – 188 с.

2. С.А.Филиппов. Робототехника для детей и родителей. Санкт-Петербург «НАУКА», 2013. -67 с.

3. Человек - Анатомия, Физиология и Гигиена - Учебник для 8 класса - Цузмер А.М., Петришина О.Л., 2013.

4. Т.И.Аленина, Л.В.Енина, И.О.Колопова и др. под рук. В.Н.Халамова. Образовательная робототехника во внеурочной деятельности младших школьников в условиях введения ФГОС НОО. Изд-во Челябинский дом печати, 2012 год.

5. Руководство пользователя прилагаемое к набору лего EV3, 2014 год.

6.http://www.topauthor.ru/Kogda_poyavilis_pervie_roboti_04f9.html — Елена Асвойнова-Травина. Когда появились первые роботы? 2012 год.

7.http://ren.tv/novosti/2015-08-06/naydena-sobaka-povodyr-pohishchennaya-u-slepoy-moskvichkiн

8. http://roboting.ru/95-roboty-nashe-budushhee.html

9. http://allrefs.net/c14/3swk8/p43/

10. http://blog.spchat.ru/?p=47715

11. http://blog.spchat.ru/?p=47715

12. https://ru.wikipedia.org/wiki/Собака-поводырь

13. http://viewangle.net/lechenie/proverka/test-na-dal-tonizm.html

14.http://vassam.tmweb.ru/?p=464

15.http://huminf.tsu.ru/wordpress/wp-content/uploads/serbin_va/2014/Проблема-визуальной-коммуникации-в-социальной-робототехнике.pdf

16.http://www.innoros.ru/news/13/11/robot-povodyr-i-robot-master-manikyura-predstavleny-v-tokio17. http://nnxt.blogspot.co.uk/2013/01/lego-mindstorsm-ev3.html

Просмотров работы: 150