«Победы — это всегда дело общее». Лицеисты рассказали, как добиться успеха на RoboCup
В конце апреля завершился национальный этап RoboCup Russia Open-2019. Просматривая результаты, мы обратили внимание на большое количество призовых мест у участников из Президентского физико-математического лицея № 239 (г. Санкт-Петербург). Как перестать просто играть в LEGO и начать добиваться успехов на престижных соревнованиях? Александр Гагарин побеседовал с призерами и их руководителями.
В беседе участвовали Наталья Тен, тренер и педагог дополнительного образования Президентского ФМЛ № 239, ученики лицея, занявшие призовые места на RoboCup: Михаил Городов, Юлия Мерзлякова, Ярослав Кальвияйнен, Иван Марков, Григорий Выдревич.
Команда, в которую входят Юлия, Ярослав и Иван, заняла перовое место в лиге RoboCupJunior Rescue Maze, Михаил и его команда — второе место в лиге Soccer Open league, Григорий и его команда — первое место в RoboCupJunior OnStage Advance.
Почему RoboCup?
Ученики ФМЛ № 239 участвуют в RoboCup практически с момента появления соревнований в России. В 2016 году Сергея Филиппова, руководителя центра робототехники лицея, пригласили в Томск открывать первый национальный чемпионат RoboCup Russia Open. Он съездил на российский этап в Томск и на международный в Лейпциг как представительское лицо. Несмотря на то, что педагог уже участвовал во многих робототехнических соревнованиях в России и за рубежом, RoboCup произвел на него сильное впечатление.
Все, чем мы до сих пор занимались, включая всемирную олимпиаду роботов WRO, — это ясли… Ставить задачи самим тоже интересно, но иногда полезно достичь того, чего окружающие мастера уже достигли в качестве одной из ступеней… То, что мы воспринимали нашими пиковыми разработками, там каждый второй делает, если это требуется в категории…,
— пояснил Сергей Филиппов на одном из обсуждений развития образовательной робототехники в России.
Нас глубоко поразило то, что там происходит,
— прокомментировала поездку на RoboCup в Лейпциг Наталья Тен, педагог дополнительного образования ФМЛ № 239.
Видимо, с этого момента общий вектор стремлений робототехнического центра ФМЛ 239 стал больше направлен на RoboCup. Уже в 2017 году лицей привез на соревнования бригаду лицеистов.
Как поясняют школьники, их привлекает то, что это достаточно крупные мировые соревнования, а также полезный опыт общения с зарубежными коллегами и интересные задачи.
Можно получить огромное количество опыта не только из России, но и из других стран. Большое количество преподавателей зарубежных. Нужно брать этот опыт,
— говорит Михаил, ученик лицея и многократный победитель международных этапов World Robot Olympiad, призер международного этапа RoboCup 2018 в Монреале.
Чем больше мнений, тем лучше
Первое, что отвечает Юлия на вопрос, как удалось победить, — это грамотное наставничество. В этот раз помощь пришла со стороны инженеров ЦНИИ РТК.
Хорошие руководители. В этот раз нашу работу контролировали, нам помогали. Без инженеров из РТК мы бы, наверное, не справились. Т.к. мы использовали достаточно взрослые технологии под руководством опытных инженеров, у нас получилось сделать что-то стабильное и работоспособное в отличие от предыдущих лет.
Наталья Тен, как сотрудник лицея, отмечает, что привлечение специалистов для получения их экспертного мнения по поводу крупных проектов — принятая практика:
Каждый раз, когда проект вырастает из уровня 5-6-7 класса (уровня LEGO и Arduino), мы стараемся привлекать как можно больше хороших консультантов, которые знают больше, чем простые преподаватели робототехники. Это в первую очередь специалисты из РТК, поскольку мы сходимся в подходах к созданию роботов.
Юлия поясняет, что в предыдущем году работа велась с преподавателями лицея, а на этот год ребята решили испробовать подход инженеров из РТК:
Приходим, составляем вместе план работ, думаем, как сделать, уходим, делаем неделю, приходим через неделю и показываем, что у нас получилось. Школьные учителя тоже принимали участие. Сергей Александрович Филиппов приходил, смотрел, как работает робот, говорил, что ему не нравится, что надо изменить, мы исправляли, но в самой разработке он не вдавался в детали, как инженеры ЦНИИ РТК, поскольку он координирует около 15 команд лицея одновременно.
Ярослав рассказал, что освоил дистанционную форму взаимодействия:
С программированием я работал через Git: загружал программу, программист просматривал, говорил, что не нравится, что надо изменить. Мне понравился этот структурированный подход.
Наталья добавляет, что специалисты из Политеха, СПбГУ, ИТМО, инженеры из РТК, СтарЛайн, Кировского завода и просто отличные инженеры не раз консультировали проекты лицеистов, которые выходили на мировые этапы различных робототехнических соревнований:
Когда дети тебя спрашивают, а ты не знаешь, ты можешь придумать что-то, исходя из собственного опыта, а можешь обратиться за консультацией к экспертам. Во многих проектах, которые выходили на мир, наши друзья-специалисты помогали нам. Периодически за помощью по алгоритмам управления мы обращаемся к профессорам с математико-механического факультета СПбГУ. В частности, профессор Александр Львович Фрадков регулярно посещает конференции Центра робототехники и дает рекомендации по развитию детских проектов. А сотрудники Университета ИТМО помогают с английским языком и с необычными технологиями, в частности, оптическими и связанными со сложным управлением роботами.
В постановке театрализованных представлений с роботами тоже брали консультации у профессионалов.
По режиссуре, постановке сценических номеров (в частности представлений OnStage) просим помощи у режиссера фестиваля Робофинист. Ведь педагоги специализируются в своей робототехнической области, и невозможно одинаково хорошо знать все.
Кроме того, школьники понимают важность времени подготовки.
Мы готовили робота с августа, в отличие от многих команд, которые начинают за несколько месяцев до соревнований готовиться. У нас, наверное, нет никого, кто бы столько готовился на всероссийский этап,
— поясняет Ярослав.
Правильные платформы
Учитывая опыт прошлых лет, многие команды перешли с Arduino на STM32, а также на самостоятельное проектирование и изготовление плат.
Т.к. у нас на момент создания робота был уже двухлетний опыт работы, то мы, учитывая ошибки прошлых лет, решили сделать что-то серьезное. Я была в команде электронщиком. С точки зрения электроники, по сравнению с предыдущими роботами, особенность в том, что он сделан на основе микроконтроллера STM32. Материнская плата была разведена нами самостоятельно. Мы ее заказали, потом спаяли. Также особенностью является наличие коммутационных плат, что бывает не во всех проектах, к сожалению,
— говорит Юлия.
Программу для робота команда разработала в среде IDE Keil uVision 5 с использованием низкоуровневых библиотек. Про ее преимущества рассказал Ярослав:
В отличие от Arduino там можно настроить целиком всю работу с периферией, т.е. записывать в регистры, как будет работать пин, настраивать режимы работы. Разработка сама длится дольше, потому что нужно больше написать, но позволяет более гибкую настройку проводить, и, если хорошо настроить, все работает очень стабильно в отличие от Arduino.
Юлия пояснила, что у предыдущей версии были проблемы со стабильностью работы робота:
На Arduino мы сталкивались с такой проблемой. Вечером все отладили, все прекрасно. С утра приходим, а у нас ничего не работает. На STM32 за счет более гибкой настройки такого нет.
Конструкция робота была полностью смоделирована до того, как робот начал собираться, уточняет Иван, конструктор команды:
Конструкция была смоделирована в Solid Works. Был отдельно смоделирован подшипниковый узел, на нем установлен внешний редуктор.
Михаил, команда которого разработала робота-футболиста, также с этого года перешел с Arduino на STM32.
Мы создавали свою конструкцию с учетом опыта предыдущих лет и опыта других команд. На соревнованиях в Канаде познакомились со многими командами (в основном иранцы, японцы) и узнали много нового. Преимущественно все используют контроллеры STM32. Мы также решили их использовать, потому что на предыдущем роботе, который был с Arduino, нам банально не хватало вычислительной мощности – вычисление управляющих воздействий на двигатели после прохода основной логики занимало больше времени, чем занимало распознавание данных с периферии, т.е. камера банально работала быстрее, чем логика нашего робота, и это конечно не дело. Мы решили перейти на контроллер STM32 и начали проектировать материнскую плату. Сначала купили вместе с Ярославом пару отладочных плат и на них тестировали все наши протоколы, простейшую работу с периферией, настройки, посмотрели насколько это все гибко и достаточно удобно. Это огромный плюс контроллеров STM32, что каждую ножку можно настроить по-своему, очень гибко, и можно проектировать плату как тебе удобно, потом в программе перенастроить регистры под твои нужды.
Также как и Ярослав, я использую IDE Keil uVision 5, потому что он представляет нужную парадигму программирования – банально объектно-ориентированное, наследование, колл-беки, короче, удобно. В этой IDE я использую низкоуровневые библиотеки для работы с периферией: Simple Operation Library от STM MicroElectronics и драйверы CMSys для ARM Cortex – в моем случае ARM4 и ARM3 (у нас два контроллера – один на материнской плате, а другой на плате датчиков, для обработки аналоговых сигналов с большого количества датчиков. Итак, драйвера CMSys и Simple Operation Library, а дальше идут высокоуровневые настройки, написанные мной или взятые из открытых источников.
Занятия робототехникой в лицее начинаются с пятого класса на LEGO Mindstorms. Лицеисты рассматривают эту платформу как конструктор для новичков.
На LEGO гораздо проще начинать. Можно познакомиться с основами ТАУ, банально подсоединив один провод и написав программу — не нужно ни пилить, ни строгать, ни моделировать, один провод и у тебя все работает, поэтому LEGO и получило такую популярность. Очень удобно, быстро и просто, не нужно отлаживать электронику. Но Arduino и STM дают намного больше возможностей,
— поясняет Михаил.
Особенность категории RoboCup OnStage в том, что мы должны использовать возможности каждого участника. Если кто-то разбирается с одним, другой – с другим, то он скорее всего и сделает то, что умеет лучше всего. Не обязательно идти по ступенькам LEGO-Arduno-STM32. Можно сказать, что LEGO – некоторая база, которую скорее всего должен знать каждый, кто участвует в проекте. Как правило, потом участники уходят в совершенно разные технические разработки, не забывая при этом про сценичность,
— рассказывает Григорий.
Юлия говорит:
Я сначала самостоятельно занималась с LEGO, потом я пришла в 239 лицей, меня научили делать все на Arduino, я перешла как бы на новый уровень благодаря этому, пару лет делали проекты на Arduino и решили перейти на STM32 (буквально с этого года).
Можно ли сразу отказаться от LEGO и начинать с Arduino? Михаил считает, что да, если уже накоплен некоторый багаж знаний и опыта:
Я лично знаю человека (его зовут Илья), который перепрыгнул 15 ступеней робототехники и зашел сразу в Arduino. Сейчас он выступил на RoboCup Soccer Junior LightWeight и его команда тоже заняла второе место. Не так важно, с чего начинать. Если уже есть какой-то опыт, можно переходить сразу к чему-то большему. Но если же нужно познакомиться с основами… Ты же не можешь написать какую-нибудь систему управления адронного коллайдера, если не умеешь крутить мотором.
Финансы и спонсоры
Рассказывая про особенности разработанного робота, Юлия вспоминает спонсоров:
Хотелось бы поблагодарить наших спонсоров за возможность проектировать достаточно серьезных роботов с самодельными платами, тщательно подобранными моторами, из качественных пластиков и других полимерных материалов. Спонсоры – StarLine и Кировский завод. Они помогают нам собирать роботов из самых подходящих элементов и набираться опыта на международных состязаниях. Я думаю, без них мы бы не смогли регулярно добиваться таких успехов.
Наталья Тен поясняет, что вопрос финансирования разработок команд и поездок на соревнования для многих команд и тренеров очень сложный:
У нас есть спонсоры, которые нас активно поддерживают, потому что мы — Президентский лицей № 239, многократный чемпион мира по робототехнике, который всегда показывает высокие результаты. К сожалению, в регионах не у всех есть такой список побед, и мы не раз сталкивались с тренерами, которые пытаются изо всех сил на свои средства как-то поддерживать проекты своих команд. И в регионах все эти переходы (от LEGO к Arduino, от Arduino к STM32) даются затруднительно. Благодаря тому, что нам помогают идейные люди, которые являются нашими шефами и спонсорами, у нас в лицее №239 получается предоставить детям возможность работать с таким оборудованием.
Новая ступень в развитии образовательной робототехники
Как пояснил Сергей Филиппов, соревнования RoboCup – это новая ступень в развитии образовательной робототехники в России. Они охватывают почти все возрасты и уровни подготовки. Хотя на международном финале нижняя возрастная планка постепенно растет (в 2019 году — 13 лет), в суперрегиональных чемпионатах вводятся облегченные лиги и для начинающих.
Принципы RoboCup близки по духу соревнованиям в Санкт-Петербурге, которые уже 10 лет продвигает Центр робототехники Президентского ФМЛ №239. Поэтому мы сразу поддержали инициативу коллег из Томска и начали активно готовить школьников. Базовые алгоритмы управления для дисциплин RoboCupJunior ребята осваивают в 6-7 классе, после чего могут с уверенностью участвовать в стартовых дисциплинах (Rescue Line, onStage Novice). На региональном этапе умелые малыши с конструкторами LEGO могут обыграть даже опытных радиоэлектронщиков, например, в категории RoboCupJunior Rescue Line. Но старшие ребята тоже уверенно идут к победам: когда решены все инженерные проблемы, их роботы начинают действовать более предсказуемо. В некоторых проектах неоценимую помощь оказывают внешние специалисты, которые с готовностью отзываются. Им не надо объяснять, что выступление российских команд на международном уровне – это общее дело. Но есть и успешные роботы, сделанные под руководством только преподавателей лицея. В идеале у каждого проекта несколько руководителей, каждый из них специализируется на своем: программист, электронщик, конструктор, администратор, режиссер, преподаватель английского и пр. В этом суть нашей проектной деятельности. Ребята сами понимают, где им нужно обучаться и с кем консультироваться, чтобы принести пользу команде. Значимую поддержку оказывают родители, которые обеспечивают сложный учебный график для своих детей в течение всего периода подготовки и соревнований. В итоге всего комплекса деятельности мы не только готовим в центре команды победителей, но и обучаем более 500 школьников со всего города, каждый из которых выбирает направления согласно своим интересам и целеустремленности.
