В конце января, текущего года в школах Санкт-Петербурга, и должно быть в других школах по всей России проводятся олимпиады по направлению "технология", в рамках которой также проводится направление "Робототехника: Arduino", где ребятам предлагают принять участие и заработать дополнительные (полезные) баллы по обучению, которые в дальнейшем помогут им с вступлением в ведущие ВУЗы по соответствующим направлениям. 

Рекомендации с картинками доступны для чтения тут

Как и предыдущие олимпиады, а точнее: олимпиада по Arduino на международном фестивале РобоФинист и районная олимпиада, проходившая в 2018 году, так и эта региональная олимпиада - проводилась и готовилась нами - то мы можем поподробнее о ней Вам рассказать. А чуть позднее разработаем специальную методическую рекомендацию, в которой отобразим все этапы подготовки школы к таким олимпиадам и подробно расскажем о всех подводных камнях, и способах их обойти.

И так, 31 января на базе Центра робототехники Санкт-Петербургского Президентского физико-математического лицея №239 мы организовали и провели практическую олимпиаду по Arduino. К участию в олимпиаде было допущено 8 участников, которые смогли полностью подготовить всю необходимую информацию, - разработать презентации своих проектов, рассказать о них, пройти анкетирование по технологическим (с направлением в робототехнику) вопросам и как итог - собрать по выданному заданию самого робота.

***

Далее мы предоставляем пошаговые рекомендации для организаций и школ, которые хотят проводить подобные мероприятия по Arduino:

Методические рекомендации, разрабатываемые для проведения олимпиады по технологии, в рамках которой в школах проводятся олимпиады по робототехнике.

Данные рекомендации разработаны с целью обеспечения равных условий участников, которые будут участвовать в мероприятиях по всей России. Данные методические рекомендации разработаны Москвой и согласованы с нами в части материально-технического обеспечения. Сама рекомендация рассылается образовательным учреждениям и пока мы не можем опубликовать ее в открытом виде, но можем точно сказать, что все что указано в рекомендации - переносится в само олимпиадное задание, которое выдается участникам. В данных рекомендация указаны размеры, типы платформ и оборудования, обязательного к выдаче участнику олимпиады. Давайте разберем что должно входить в методическую рекомендацию:

1. Тип робототехнической платформы, на базе которой должен строиться проект: Arduino UNO. Данная платформа выбрано по причине максимальной популярности и себестоимости. Есть много различных робототехнических платформ, таких как LEGO EV3, TRIX, и прочих, благодаря которым можно собирать роботов. Но самая популярная несомненно Arduino. Сами платы Arduino есть в различных исполнениях (UNO, NANO, PRO) и можно найти очень дешевые варианты (от 200 рублей) - что позволяет привлечь к этому направлению максимальное количество учащихся. Ну и конечно Arduino более технологичная, чем другие конструкторы, ведь тут нужно понимать как схемотехнику, так и программирование с конструированием.

(Фото платы Arduino UNO)

2. Подвижная платформа/шасси робота: в данном пункте предполагается использование некой универсальной платформы, на базе которой можно закреплять все исполнительные узлы, датчики, контроллеры, моторы и все остальное. В качестве типовой платформы выбрана круглая платформа, размерами не менее 122 мм и не более 145 мм в диаметре. Платформа должна быть двухуровневой, предполагая размещение механики и электроники в разных отсеках. Нижняя часть платформы должна позволять подключать два мотора, с их центральным расположением, а также места для установки двух дополнительных опорных волокуш или роликов, которые придадут круглой двухколесной платформе устойчивость. В платформе должны быть множество отверстий под болты М3, позволяющие закреплять датчики линии, платы Arduino, платы драйвера-двигателей, и прочие элементы конструкции.

(Фото деревянной платформы)

3. Моторы: это очень важный момент! Олимпиада по робототехнике не предполагает выполнение задания на скорость. Тут важный момент - правильность сборки робота, за которые начисляются баллы, и 100% выполнение поставленного задания. Так вот, по нашим оценкам - самый оптимальный тип мотора должен иметь передаточное отношение от 120:1 до 150:1. Ранее мы использовали моторы с передаточным отношением 48:1, которые вы можете найти в каждом магазине робототехники. Это такие пластиковые желтые моторы, на которые насаживаются большие колеса. Обычно такие моторы идут уже комплектом с платформой. Моторы с передаточным отношением 48:1 неудобно использовать, так как замедлять робота достаточно не просто для участника, а чем робот едет медленнее - тем качественнее участник выполнит поставленную задачу. Таким образом оптимальный вариант указан выше. Советуем следовать ему. Самые популярные моторы с таким передаточным отношением: мотор-редуктор Gekko MR12-100 turbo (ссылка на магазин). Все моторы должны быть распаянными - к контактам моторов должны быть припаяны провода с выходом "папа", чтобы участник мог их подключать и зажимать винтами.

(Фото пластикового редуктора + Фото металлического моторредуктора)

4. Драйвер двигателей: перебрав множество примеров готовых плат управления двигателей, которые совместимы с платой Arduino, мы решили указать на самый главный момент - драйвер двигателей должен быть максимально простым, чтобы его настройка проводилась без использования сторонних библиотек. Таким образом, если брать самый популярный вариант драйвера моторов - схему L293D, то и плата должна быть на его базе (или на базе его аналогов). Самый популярный и дешевый китайский драйвер двигателей, который мы использовали во всех олимпиадах - это L298N (ссылка на магазин). Данный драйвер прост в подключении и его схема проста и понятна для участников. Другие платы имеют дополнительные пины расширения, которые могут сбить с толку участников, запутать их, так как время у участников ограничено и организатору нужно максимально упростить процесс знакомства и подключения электроники. Драйвер двигателей должен иметь разъемы для подключения моторов и управляющих пинов контроллера безпаечным способом, то есть драйвер должен позволять подключать провода "папа-мама". Провода от моторов должны затягиваться на винтовые соединения.

(Фото драйвера двигателей L298N)

5. Датчики линии: для навигации робота на полигоне, в большинстве случаев обязательно использование датчиков линии. Самый хорошо зарекомендовавший себя вариант датчиков - аналоговый датчик. Благодаря использованию аналоговых датчиков участники могут проводить калибровку датчиков. Очень актуально это в том случае, когда вы закупаете датчики одного типа, но из-за особенностей сборки на производстве, зачастую эти датчики не показывают одинаковые значения при одинаковых внешних условиях - есть отличия. При работе с аналоговыми датчиками такие погрешности легко вычисляются и решаются программно. Самый популярный тип датчика линии - на базе оптопары TCRT5000. Такие датчики бывают двух вариантов - аналоговые, или цифровые+ аналоговые. Лучше приобрести сдвоенный тип датчика, чтобы участники могла выбрать удобный для себя вариант - цифровой или аналоговый. Датчики линии должны иметь разъемы для подключения проводов "мама-папа".

(Фото датчика линии TCRT5000 аналогового и цифрового)

6. Дальномер: для определения препятствий роботом можно использовать утро-звуковые датчики. Но в рекомендация мы советуем использовать исключительно инфра-красные дальномеры. Дальномеры, также как и датчики линии - должны быть аналоговыми. Чтобы исключить использование библиотек. Дальномеры, которые мы рекомендуем, это: Sharp 2Y0A21 GP2Y0A21YK0F GP2D12. Данный датчик видит на дистанцию от 10 до 80 см, что достаточно для выполнения разрабатываемых заданий для олимпиады. Дальномер должен иметь распаянные выходы, например к нему можно припаять провода с разъемом "папа".

(Фото дальномера Sharp 2Y0A21 GP2Y0A21YK0F GP2D12)

7. Провода: для подключения всей электроники и механики участникам должны быть предоставлены различные варианты проводов для прототипирования, которые используются в макетных платах. Эти провода имеют разные типы: папа-папа, мама-мама, папа-мама. А также длину и цвет. Выбирать провода лучше длинные, от 20 см, до 40. Длинные провода участник всегда сможет скрутить уменьшив их размер. Провода должны быть изолированными и не поврежденными, дабы избежать коротких замыканий.

(фото проводов папа-папа + папа-мама + мама-мама)

8. Питание: для обеспечения питания роботом необходимо использовать исключительно аккумуляторные батареи, способные выдавать в сумме напряжение от 6 до 10 вольт. Таким образом к роботу можно подключать аккумуляторные батареи типа "Крона", но наша практика показывает, что эти батареи подходят не так хорошо, так как имеют малые объемы и в связи с этим быстро разряжаются. если предполагается использование аккумуляторных батарей, то вам придется закупить их в двойном количестве, предоставив участнику как минимум 2 батарейки и зарядную станцию. Стоит учитывать, что большинство умных зарядных станций сперва разряжают батарейку - и только после этого начинают ее заряжать, - а это время, которое участнику лучше не терять. По этому самый оптимальный вариант использования батареек - это аккумуляторные батарейки "Орбита", имеющие типоразмер: 18650 и напряжение: 3.7В. Это достаточно емкостные батареи, которые отлично подходят для выполнения задания и очень медленно разряжаются. Двух батареек может хватить на все время выполнения задания. ЛУчше иметь 4 аккумуляторных батарейки, дву из которых подключаются к роботу. Для подключения данных типов батареек стоит заранее приготовить разъемы для подключения. 

(Фото аккумулятора "Крона", "Орбита", бокс, разъемы для подключения)

9. Стабилизатор питания: для цифровой техники очень важно использовать стабильные источники питания. Так как контроллеры имеют свойство перезагружаться при значительной просадке питания, например при старте мощных сервомоторов или моторов у робота, то контроллер необходимо обезопасить и также дополнительно обеспечить возможность установки необходимого напряжения на драйвер двигателей. В большинстве случаев моторы выдают заданные обороты при определенных напряжениях, обычно 6В. Таким образом стабилизатор питания позволяет подать на драйвер двигателей стабильные 6 вольт, независимо от того стартует робот или стоит в ожидании. Стабилизатор должен быть понижающим, позволяя подключать питание от 6 до 40 вольт, и настраивать выходной диапазон напряжения от 1.5 до 12 воль (из всего диапазона обычно используется либо 5 либо 6 вольт).

(фото стабилизатора питания)

10. Сервомотор: для выполнения заданий настоятельно не рекомендуется использовать дешевые пластиковые серво-моторы "Tower Pro SG90". Используйте сервомоторы с металлическим редуктором. Это позволит избежать быстрой его поломки на соревновании, так как пластиковые сервы очень легко сломать, даже программным способом. 

(Фото сервомоторов)

11. Винты и гайки, стойки: для монтажа всех плат управления, датчиков и моторов участнику необходимо предоставить набор различных болтов и гаек, разных длин, а также стоек. Стойки желательно использовать только пластиковые, чтобы избежать возможных коротких замыканий. Так как стойки есть не у всех поставщиков в необходимом количестве - оптимальным решением будет заменить их на длинные винты.

(Фото винты, гайки, стойки)

12. Стяжки: в процессе монтажа у участника получается платформа с кучей проводов. Данные провода и некоторые механические злы робота необходимо надежно фиксировать, чтобы избежать их расшатывание, или, в случае с датчиками - дребезг контактов. Также стяжки помогают фиксировать провода и не давать им замыкать от другие электропроводящие поверхности робота, что очень часто происходит по невнимательности у участников. Также стяжки позволяют закрепить платы робота, не используя винты и стойки, что может облегчить платформу.

(Фото стяжек)

13. Металлический конструктор: для монтажа некоторых узлов робота, таких как дальномер, могут потребоваться некоторые дополнительные крепежные элементы, позволяющие вынести датчики в торону за платформу. Такими элементами становятся детали металлического конструктора. Они имеют разный профиль и отверстия по крепеж. Также в наборы можно добавить обычные палочки и картон, благодаря которому участники могут доработать конструкцию робота.

(Фото металлического конструктора)

14. Макетная плата: зачастую при использовании множества различных датчиков, у участника появляется проблема - все пины питания (+5В, +3.3В, GND) уже заняты для подключения другими модулями и есть датчики, которым не хватает ножек Arduino. Эту проблему легко решить включением в набор платы прототипирования (макетной платы Arduino) в которую втыкаются провода папа-мама, папа-папа. Таким образом участник может без пайки дополнительно организовать подключение датчиков.

(Фото платы макетной)

Подводя черту о выше сказанным техническим рекомендациям, у вас должен получиться данный макет робота, который позволяет выполнять Олимпиадные задания по Arduino

(фото робота олимпиадного)

***

ПРОВЕДЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ОЛИМПИАДЫ ПО ARDUINO СО СТОРОНЫ УЧАСТНИКА

• Что нужно знать?
• Что нужно уметь?
• Что нужно понимать?

Для успешного выполнения олимпиадного задания по робототехнике (в рамках олимпиады по технологии), учащийся должен:

1. ЗНАТЬ:

• как работает аналоговый/цифровой датчик линии (какие данные показывает на белых и черных поверхностях)
• как работает аналоговый дальномер (ультразвуковые и инфракрасные)
• как работает драйвер двигателей (базовый драйвер - L298, L293D): какими пинами управляется микросхема драйвера (Input 1-4); куда подключаются моторы; как задавать разную скорость вращения моторам (ШИМ); как подать внешнее питание на моторы (чтобы увеличить их мощность. Базовое напряжение 6 вольт)
• как устроена плата Arduino UNO (назначения всех выводов платы, количество аналоговых портов, количество цифровых портов, на каких ножках есть ШИМ, пины питания +5В, +3.3В)
• схематическое обозначение радиодеталей на схеме, источников питания
• как работают повышающие и понижающие стабилизаторы питания
• как вывести питание с Arduino на макетную плату для подключения большого количества датчиков (их Vcc и GND)

2. УМЕТЬ:

• подключать плату Arduino UNO к компьютеру (устанавливать драйвера, выставлять нужный COM-порт/Serial port, загружать программу в микроконтроллер)
• подключать датчики к плате Arduino проводами "папа-мама/мама-мама/папа-папа"
• находить описание характеристик на комплектующие для Arduino (схемы и характеристики на датчики, драйверы двигателей, и прочие наборы для Arduino)
• собирать колесную платформу с моторами (знать как работает морот с редуктором, как выставлять датчики линии на платформе, как устанавливать дальномеры, блоки питания и другие конструкторские навыки)
• рисовать структурную схему подключаемых устройств (схема блоков с направлениями данных)
• выявлять ошибки в коде (понимать на что указывает компилятор, при обнаружении ошибки в коде на этапе компиляции)
• оформлять программный код структурировано (использовать комментарии, выравнивать код, делать отступы)
• выявлять и исправлять ошибки в подключении периферийных устройств к Arduino (понимать, что, если код написан правильно, а робот не выполняет задачу - проблема не в программе а в железе)
• пользоваться примерами кода, представленных в компиляторе Arduino IDE (для экономии времени на разработку программы - использовать примеры)

3. ДЕЛАТЬ:

• робота, следующего по линии с двумя датчиками
• робота, следующего по линии с одним датчиком
• робота, объезжающего препятствия с использованием ИК-дальномера
• робота, умеющего разворачиваться на линии и ехать в противоположную сторону с использованием только датчиков линии
• робота, способного считать количество перекрестков, которые он проехал
• робота, способного считать количество банок, мимо которых он проехал
• робота, который может ехать с одним и тем же моторами с разной скоростью
• робота, способного двигаться вдоль стенки с использованием ИК-дальномера
• робота, способного самостоятельно калибровать датчики линии

ПРОВЕДЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ОЛИМПИАДЫ ПО ARDUINO СО СТОРОНЫ ОРГАНИЗАТОРА

• Что нужно знать?
• Что нужно уметь?
• Что нужно понимать?

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ:

Первое, с чем сталкивается организатор, который готовиться провести на своей базе школьную олимпиаду по Arduino (в рамках олимпиады по технологии) - это олимпиадное задание. Конечно, само задание никому не известно до открытия конверта с заданием, но организатору предоставляется методическая рекомендация (опять же), в которой перечислено обязательное оборудование - комплектующие для сборки робота. Если в школе нет технического специалиста, который занимается робототехникой, наша рекомендация, которую мы описали в самом начале по оборудованию будет в самый раз.

Рассмотрим этап, на котором вы должны приобрести необходимое оборудование. На данный момент по спецификации, которая разработана нет 100% ясности того, каким должен быть итоговый комплект. Сегодня мы занимаемся проработкой этого вопроса, чтобы совместно с рекомендацией была разработана утвержденная спецификация на комплекты. Такая спецификация должна позволять приобретать такие комплекты Arduino, которые будут максимально аналогичными тому, будь то это закупка в городе Санкт-Петербург, или Мурманск. Комплектация должна быть максимально однотипной. 

На данный момент техническая документация на поставку набора для проведения олимпиады по Arduino выглядит следующим образом: скачать

В ней вы можете увидеть, что используется круглая платформа. Моторы с передаточным отношением 150:1, и аналоговые датчики. Используя данную техническую документацию вы можете перейти к следующему шагу - поиску поставщика.

2. ПОИСК И ЗАКУПКА ОБОРУДОВАНИЯ:

Так как используемая в олимпиаде платформа очень популярна - то и магазинов, которые торгуют данной продукцией достаточно много. Но есть некоторые подводные камни, с которыми можно столкнуться на этапе общения с поставщиками. Если в вашем учреждении нет централизованной закупки, то дела будут обстоять следующим образом:

• Получение технической документации на проведение олимпиады по Arduino. Данную документацию вы должны составить самостоятельно, либо обратиться в вышестоящее учреждение, чтобы они выделили технического специалиста, способного грамотно составить документ на закупку. Если вы образовательное учреждение - вам необходимо проводить ГосЗакупки. Для этого необходимо знать как правильно составить спецификацию на закупку, чтобы вы смогли получить именно те комплектующие, которые вам необходимы.
• Поиск поставщиков. Для проведения ГосЗакупки вам необходимо получить 3 коммерческих предложения от магазинов/поставщиков комплектующего для робототехники. Таких поставщиков вы можете найти в нашем специальном разделе, который мы постоянно наполняем и обновляем статистику качества работы поставщиков и магазинов, чтобы вы смогли без проблем провести закупку и вам поставили действительно то оборудование, которое необходимо для олимпиады по Arduino. Ознакомиться с магазинами робототехники можно в нашем разделе.
• Проведение закупки. Предоставляя поставщику спецификацию на необходимое оборудование - вы должны требовать именно такое оборудование, которое подходит по заявленным характеристикам в спецификации. Это значит, что если указан мотор с редуктором, передаточное отношение которого 150:1  значит именно 150:1 вам и нужно. Вам могут предложить очень популярные моторы с передаточным отношением 48:1. Да, эти моторы очень дешевые и позволят вам сэкономить на бюджете, но с такими моторами участнику будет тяжело справиться, а это значит что вы сильно снизите процент успеваемости участников на вашей олимпиаде. В вашей спецификации должен быть указан важный пункт - комплектующие должны быть в собранном виде и готовы к подключению беспаечным способом. Это значит, что поставляемые в наборах моторы должны быть с разъемами, которые остается только воткнут ьв свое гнездо, либо вставить и затянуть болтом. Никакой пайки на олимпиаде по Arduino быть не должно - все соединяется участником посредством поставляемых проводков "папа-мама/папа-папа/мама-мама". К оборудованию, поставляемому поставщиком должна идти бумага, в которой говорится о том, что комплектующее проверено на работоспособность. Не редки случаи, когда при закупке большого количества датчиков - при их проверке оказывается, что часть из них неработоспособна/бракованна, или показания одного и того же датчика очень сильно рознятся. Особенно это касается аналоговых датчиков линии. Обязательным пунктом к поставляемому оборудованию должна быть документация на русском языке с указанием характеристик. Так как большинство оборудования расплодилось на рынке и изготавливается множеством компаний - найти нормальную документацию на конкретный датчик или драйвер двигателей достаточно проблематично. Озадачьте этим поставщика, так как участнику в процессе олимпиады вы должны предоставить описание и характеристики на выданное оборудование. Закупайте резервные части для участников. Это необходимо на тот случай, если участник совершит грубую ошибку и испортит выданное оборудование, или будет требовать заменить комплектующее на исправное.
• Организация рабочего пространства. Для максимально эффективного проведения олимпиады, участнику должен быть предоставлен персональный набор инструментов, которые необходимы для сборки и крепежа модулей Arduino (отвертки, бокорезы, кусачки), а также вспомогательные расходные материалы (стяжки разной длины, болты и гайки в избыточном количестве), металлический конструктор (для крепежа датчиков и различных захватов робота). Также участнику желательно поставить провода в избыточном количестве. Спорный момент, но мы бы рекомендовали проводить олимпиаду не на стационарных компьютерах, а на ноутбуках, чтобы у участника была возможность поставить робота на полигон/трассу и произвести калибровку датчиков, чтобы понимать насколько у них расходятся показания датчиков. Компьютеры должны быть заранее проверены на подключение к плате Arduino, и, если компьютер не видит плату - установить необходимые драйвера.

Что нужно дать понять участникам, которые участвуют в практической олимпиаде по Arduino:

Проводя данные мероприятия мы очень часто сталкиваемся с закомплексованностью участников - когда им дается собранная платформа, очень часто она остается в том виде, в котором ее выдали. Донесите до участников, что они могут разбирать и собирать все что им дали так, как им хочется и так, как они умеют. Если им что-то мешает - они могут это снять и не подключать вовсе. С другой стороны, обычно на выполнение олимпиадного задания участнику предоставляется 3 часа. За эти 3 часа участник должен выполнить как минимум две зачетные попытки. Две попытки участнику давать нужно обязательно, так как если вы не разделите время - участник будет сидеть до последнего. Ну и конечно обязательно делайте паузы на кофебрейки и проветривание помещения. Проведение олимпиады - достаточно напряженное мероприятие, на котором организатору достается роль наблюдателя и судьи, а участнику сжатые сроки и условия работы, которые очень давят на участника. Поэтому перерывы позволяют набраться сил.

3. ФИКСАЦИЯ ПОПЫТОК И РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ:

Каждая попытка участника должна фиксироваться на видео, а также последующие попытки. Это делается на случай, если участник решит обжаловать результаты, которые ему присудил судья. Также необходимо фиксировать все случаи замены оборудования.

Разработчик методической рекомендации: Мельников Сергей Алексеевич, педагог робототехники «Центр робототехники Президентского физико-математического лицея №239 г. Санкт-Петербург»

Контакты:

E-mail: melnik1412@yandex.ru

Web: servodroid.ru

Tel: +7 (999) 217-61-91

Предыдущие статьи по теме «Методические рекомендации по проведению практической олимпиады по Arduino:

1. Методические рекомендации к проведению олимпиады по Arduino
2. Участие в практической олимпиаде со стороны участника (Что нужно знать, Что нужно уметь, Что нужно понимать?)
3. Списки магазинов робототехники у которых вы можете получить коммерческие предложения или заказать поставку оборудования для олимпиады