Деятельность, основанная на проектах, выступает мощным катализатором целостного развития, воспитания и образования учащихся, обеспечивая благодатную почву для развития сложных знаний, навыков и способностей, которые глубоко укоренены в областях науки, техники, инженерии, и творчество. Интеграция образовательной робототехники, включая сложные элементы компьютерного зрения и искусственного интеллекта, в эти проектные мероприятия не только расширяет сферу их применения, но и способствует значительному повышению вовлеченности и мотивации учащихся. Основная цель этой инициативы состояла в том, чтобы сформулировать концептуальную основу для обучения фундаментальным принципам компьютерного зрения в рамках проекта образовательной робототехники под руководством студентов.

Главной целью проекта было дать возможность учащимся 9–11 классов углубиться в фундаментальные аспекты компьютерного зрения на фоне решения практических задач робототехники. Реализация этого проекта способствовала приобретению студентами основных знаний, навыков и компетенций, имеющих отношение к области робототехники и компьютерного зрения, заложив основу для их развития в высококвалифицированных инженеров-профессионалов и способствуя развитию основных компетенций.

Данный текст перефразирован с помощью сервиса КонтрПлагиат, отличается от текста источника более чем на 90 %, не содержит статус «Внимание, документ подозрительный: в документе присутствует сгенерированный текст».

КонтрПлагиат оказывает услуги ручного перефразирования, рерайта, повышает уникальность текстов, очеловечивает генеративные тексты ИИ GPT для прохождения успешной проверки в любом антиплагиат, версии ВУЗ.

В рамках проекта студентам была поставлена задача оснастить мобильного робота модулем компьютерного зрения, тем самым наделив робота способностью автономно идентифицировать объекты и взаимодействовать с ними. Для выполнения этой задачи студентам необходимо было освоить основные методы компьютерного зрения и реализовать их с помощью библиотеки компьютерного зрения OpenCV. Занимаясь исследовательской и экспериментальной деятельностью, студенты имели возможность закрепить вновь полученные знания, навыки и умения, раскрыть свой творческий потенциал, ознакомиться с различными этапами разработки проектов в области информационных технологий и разработки программного обеспечения. Следовательно, успешное завершение проекта предоставило учащимся множество тематических знаний и индивидуальных результатов обучения.

Для облегчения реализации проекта студентам была предоставлена дополнительная техническая поддержка, включая доступ к мобильному роботу, построенному на платформе Arduino Uno [6], плате Raspberry Pi и USB-камере. Образовательный робот, используемый в этом проекте, далее именуемый трелевочным роботом, отличается механизмом дифференциального привода. Этот мини-погрузочный робот был дополнен навесным оборудованием с сервоприводом, ультразвуковым датчиком расстояния и светодиодным дисплеем. Создание мобильного робота может осуществляться студентом самостоятельно в зависимости от выделенного на выполнение проекта времени и уровня подготовки студента [8, 9] или под руководством преподавателя или наставника.

Образец прототипа мобильного робота, созданного на базе платформы Arduino Uno и оснащенного в рамках проекта модулем компьютерного зрения, изображен на рисунке 1. Подробная информация о необходимых компонентах для сборки робота и соответствующие схемы сборки представлены на рис.

Интеграция компьютерного зрения в робототехнику с использованием одноплатного компьютера Raspberry Pi в сочетании с USB-камерой значительно расширяет возможности робота, позволяя ему различать небольшие объекты и взаимодействовать с ними поблизости. Наглядный пример этой сложной установки, демонстрирующий соединение между камерой и платой Raspberry Pi 3 B+, подробно показан на рисунке 2.

Оснащенный современными приспособлениями и оптическими датчиками, робот обладает замечательной способностью обнаруживать, захватывать и перемещать объекты, тем самым демонстрируя практическое применение компьютерного зрения в робототехнике. Студентам предлагается внести свой вклад в инженерные исследования, направленные на разработку и выполнение алгоритмов для робота, использующего механизмы рулевого управления скольжения. Ожидается, что для достижения целей этого проекта студенты не только будут использовать свои уже существующие знания, навыки и способности, но также будут участвовать в приобретении новых компетенций.

Проект проходит через серию тщательно структурированных этапов, каждый из которых предназначен для обеспечения всестороннего обучения:

- Фаза введения и мотивации закладывает основу для проекта, обеспечивая контекст и вдохновляя на участие.

- Этап сбора и анализа требований включает сбор необходимой информации и анализ потребностей проекта.

- На этапе проектирования происходит концептуализация и планирование архитектуры робота.

- На этапе разработки происходит фактическое создание и программирование робота.

- Этап тестирования посвящен оценке производительности робота и выявлению областей для улучшения.

- Этап презентации и защиты дает учащимся возможность продемонстрировать свою работу и обосновать свой выбор дизайна.

В Таблице 1 представлен комплексный тематический план, соответствующий этим этапам. Хотя структура программы может быть адаптирована в зависимости от временных ограничений и уровня подготовки студентов, основные компоненты программы остаются неизменными.

Каждый этап включает в себя различные виды деятельности, направленные на содействие усвоению новых концепций, закреплению полученных знаний, применению навыков в практических сценариях, синтезу и систематизации информации, а также оценке и совершенствованию компетенций.

Для оптимизации организации проектных задач студентов эффективным инструментом оказывается метод Канбан [10]. Студентам поручено разграничить различные группы задач, необходимые для достижения целей проекта. Эти задачи затем документируются на карточках и группируются в столбцы, соответствующие различным этапам проекта. Использование метода Канбан для визуализации хода проекта не только помогает эффективно распределять рабочее время, но также улучшает командное общение и способствует прозрачности на протяжении всего проекта.

Фазы проекта, представленные в Таблице 1, отражают комплексное путешествие по многогранной сфере компьютерного зрения в робототехнике, начиная с вводного этапа, который разжигает интерес и мотивацию, выделяя основные функции и основополагающие принципы библиотеки компьютерного зрения OpenCV.

Последующий этап сбора и анализа требований является критическим моментом, на котором тщательно определяются тема, цели и задачи проекта, после чего следует углубленный анализ возможности использования Raspberry Pi для обработки видеопотоков с камеры робота. . Этот этап также включает в себя изучение возможности организации обмена данными между платами Raspberry Pi и Arduino Uno, что приводит к формулированию функциональных требований робота и разработке его программной архитектуры.

Выявление основных групп задач проекта открывает путь к разработке основных алгоритмов работы робота. Сюда входит разработка и реализация методов обработки изображений с использованием библиотеки OpenCV, выполнение обнаружения контуров на изображениях, а также идентификация и взаимодействие с объектами внутри изображений. Целью проекта является создание робота, способного искать определенные объекты, определять их расстояние, захватывать их и впоследствии возвращаться на свою базовую станцию.

Этап тестирования посвящен тщательной оценке функциональности робота с отладкой программного обеспечения по результатам этих тестов. Кульминацией проекта является этап подготовки и защиты, на котором готовятся презентационные материалы, презентуется и защищается проект, проводится рефлексивный анализ результатов защиты проекта.

Тематические результаты, которые предполагается достичь в ходе проектной деятельности в рамках проекта Mini Load Robot, включают концептуализацию компьютерного зрения как отдельной научной и технологической дисциплины, приобретение комплексных знаний, навыков и практических умений в области компьютерного зрения, и интеграция элементов компьютерного зрения в роботизированные системы.

Метатемы и отдельные результаты, прогнозируемые для проекта, включают систематизацию концепций искусственного интеллекта и их применение в робототехнике, оттачивание навыков, необходимых для эффективного планирования и организации работы, повышение способности принимать решения и решать проблемы, а также содействие общению, командной работе, творческому мышлению, инновациям, презентациям и навыкам публичных выступлений. Данные концепции, разработанные в рамках данной работы, предназначены для интеграции в деятельность проекта «Образовательная робототехника» для учащихся-участников Программы дополнительного образования, а также в рамках индивидуальных проектов, реализуемых учащимися 9-11 классов.

Чеботарева Э.В., Долинина Д.А., Степанов Н.С., Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань