14. Практическая работа «Программирование роботов для совместной работы. Выполнение общей задачи»

Модуль: Коллективное поведение робототехнических систем

Тема урока: Практическая работа «Программирование роботов для совместной работы. Выполнение общей задачи»

Цель урока: Сформировать практические навыки разработки и реализации алгоритмов для организации совместной работы нескольких роботов при решении общей задачи.

Планируемые результаты:

Предметные:

• Знать принципы синхронизации действий нескольких роботов
• Понимать алгоритмы координации и распределения задач в многоагентных системах
• Уметь программировать взаимодействие между роботами для решения общей задачи
• Владеть навыками отладки распределенных робототехнических систем

Метапредметные:

• Регулятивные УУД: умение планировать сложный алгоритм с участием нескольких исполнителей, контролировать и оценивать результаты совместной работы
• Познавательные УУД: развитие системного и алгоритмического мышления, поиск оптимальных стратегий распределения ресурсов
• Коммуникативные УУД: умение работать в команде над созданием распределенной системы, моделировать процессы коммуникации между агентами

Личностные:

• Формирование понимания значимости командной работы и распределения обязанностей
• Развитие ответственности за общий результат
• Воспитание настойчивости при решении сложных многокомпонентных задач

Задачи урока:

1. Актуализировать знания о принципах взаимодействия нескольких роботов
2. Научить разрабатывать алгоритмы для синхронизации действий роботов
3. Сформировать навыки программирования коммуникаций между роботами
4. Организовать практическую работу по созданию группы роботов, выполняющих общую задачу
5. Развить умение оценивать эффективность распределенной робототехнической системы

Тип урока: Практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

• Робототехнические наборы (не менее 2-3 на группу) с возможностью коммуникации
• Компьютеры с установленной средой программирования
• Модули беспроводной связи для роботов (Bluetooth, Wi-Fi, ИК-порты)
• Полигоны для тестирования совместной работы роботов
• Инструкционные карты с примерами кода для организации взаимодействия
• Презентация с алгоритмами координации роботов
• Раздаточный материал с описанием задач для совместного решения
• Видеоматериалы с примерами успешной реализации коллективного поведения роботов

Образовательные технологии: Проектная деятельность, проблемное обучение, работа в малых группах, практико-ориентированное обучение, моделирование реальных ситуаций

Межпредметные связи:

• Информатика: синхронизация процессов, распределенные вычисления, параллельные алгоритмы, обмен данными между системами
• Математика: алгоритмы оптимального распределения ресурсов и задач, теория графов, оптимизация маршрутов
• Физика: координация механического движения, взаимодействие объектов в пространстве
• Социология: моделирование коллективного поведения, распределение ролей, координация действий

Задача: Организовать группу из 2-3 роботов для транспортировки крупного или тяжелого объекта из пункта А в пункт Б с преодолением препятствий. Требования:

• Роботы должны поддерживать синхронизацию движения при перемещении груза
• Необходимо распределить роли (лидер, последователи)
• Реализовать обмен информацией о скорости движения и направлении
• Обеспечить механизм коррекции при отклонении от курса

Задача: Организовать группу из 3-4 роботов для эффективного картографирования неизвестной территории. Требования:

• Разделить территорию на сектора для исследования
• Реализовать алгоритм распределения секторов между роботами
• Обеспечить обмен информацией о найденных объектах или препятствиях
• Предусмотреть перераспределение задач при выходе из строя одного из роботов

Задача: Организовать группу из 2-3 роботов для сортировки объектов разных типов (цвет, размер, форма) по соответствующим зонам. Требования:

• Распределить роли между роботами (сканер, транспортировщик, сортировщик)
• Реализовать обмен информацией о найденных объектах
• Обеспечить координацию движения для избежания столкновений
• Оптимизировать маршруты для минимизации времени сортировки

Задача: Организовать группу из 3-5 роботов для построения заданной геометрической фигуры или конструкции. Требования:

• Разбить задачу на подзадачи для каждого робота
• Реализовать алгоритм позиционирования роботов относительно друг друга
• Обеспечить синхронизацию этапов построения
• Предусмотреть механизм коррекции при отклонении от плана

// Код для робота-лидера
function leaderBehavior() {
  while (not reachedGoal()) {
    // Определение маршрута
    path = calculatePath();
    // Отправка информации о маршруте последователям
    broadcast("PATH_UPDATE", path);
    // Движение по маршруту
    moveAlongPath(path);
    // Ожидание подтверждения от последователей
    waitForAcknowledgement();
  }
  // Сигнал о завершении задачи
  broadcast("TASK_COMPLETED");
}

// Код для робота-последователя
function followerBehavior() {
  while (not taskCompleted()) {
    // Прослушивание сообщений от лидера
    message = listen();
    if (message.type == "PATH_UPDATE") {
      // Расчет своего маршрута относительно лидера
      myPath = calculateRelativePath(message.path);
      // Движение по маршруту
      moveAlongPath(myPath);
      // Подтверждение выполнения
      send("ACKNOWLEDGE", leader);
    } else if (message.type == "TASK_COMPLETED") {
      // Завершение работы
      break;
    }
  }
}

// Разделение территории между n роботами
function divideTerritory(territory, n) {
  // Разбиение территории на n примерно равных секторов
  sectors = splitIntoSectors(territory, n);
  
  // Назначение секторов роботам
  for (i = 0; i < n; i++) {
    assign(robots[i], sectors[i]);
    broadcast("ASSIGNMENT", {robotId: i, sector: sectors[i]});
  }
  
  // Мониторинг выполнения задачи
  while (not allSectorsExplored()) {
    // Если один из роботов вышел из строя
    if (robotFailure(robotId)) {
      // Перераспределение оставшейся территории
      remainingSectors = getRemainingSectors();
      activeRobots = getActiveRobots();
      newSectors = redistributeSectors(remainingSectors, activeRobots);
      
      // Отправка новых заданий
      for (robot in activeRobots) {
        send("NEW_ASSIGNMENT", {sector: newSectors[robot]}, robot);
      }
    }
  }
}

// Предотвращение столкновений между роботами
function collisionAvoidance() {
  while (true) {
    // Определение своей позиции и направления
    myPosition = getPosition();
    myDirection = getDirection();
    
    // Оповещение других роботов
    broadcast("POSITION_UPDATE", {position: myPosition, direction: myDirection});
    
    // Получение данных о позициях других роботов
    otherRobots = receivePositions();
    
    // Проверка потенциальных столкновений
    for (robot in otherRobots) {
      if (willCollide(myPosition, myDirection, robot.position, robot.direction)) {
        // Определение приоритета
        if (hasPriority(myself, robot)) {
          // Продолжить движение
          continue;
        } else {
          // Уступить дорогу
          avoidCollision(robot);
        }
      }
    }
    
    // Пауза перед следующей проверкой
    delay(CHECK_INTERVAL);
  }
}

                           [Общий канал связи]
                         /        |        \
                        /         |         \
               [Робот 1]    [Робот 2]    [Робот 3]
              /  |    \     /  |   \      /  |   \
             /   |     \   /   |    \    /   |    \
        Сенсоры  |    Моторы  |   Моторы    |   Моторы
                 |            |             |
            Контроллер   Контроллер    Контроллер

Алгоритмическая часть (0-5 баллов):

• Эффективность распределения ролей между роботами (0-1)
• Оптимальность алгоритма координации действий (0-2)
• Наличие механизмов обработки нештатных ситуаций (0-1)
• Масштабируемость решения (возможность добавления роботов) (0-1)

Техническая реализация (0-5 баллов):

• Корректность программного кода (0-1)
• Надежность системы коммуникации (0-2)
• Точность выполнения роботами своих задач (0-1)
• Оптимизация ресурсов (энергии, времени, перемещений) (0-1)

Выполнение задачи (0-5 баллов):

• Успешность решения поставленной задачи (0-2)
• Время выполнения задачи (0-1)
• Устойчивость к внешним факторам (0-1)
• Общая эффективность работы системы (0-1)

Демонстрация и защита (0-5 баллов):

• Качество презентации решения (0-1)
• Понимание принципов работы созданной системы (0-2)
• Ответы на вопросы (0-1)
• Анализ сильных и слабых сторон решения (0-1)

Максимальный балл: 20 Шкала перевода в оценку:

• 18-20 баллов - “5”
• 14-17 баллов - “4”
• 10-13 баллов - “3”
• менее 10 баллов - “2”

1. Название проекта (многоагентной системы)
2. Цель и задачи (что должна выполнять система)
3. Состав системы (количество роботов и их функциональное назначение)
4. Распределение ролей (специализация каждого робота)
5. Алгоритмы координации (описание используемых алгоритмов с блок-схемами)
6. Система коммуникации (протоколы обмена данными)
7. Результаты тестирования (успехи, проблемы и их решения)
8. Перспективы развития (как можно улучшить систему)
9. Выводы (что удалось реализовать, какие знания были получены)

Фамилия, имя: _________________________
Группа: _______

ЗЕЛЕНЫЙ (что получилось хорошо):
_________________________________________________
_________________________________________________

ЖЕЛТЫЙ (что можно улучшить):
_________________________________________________
_________________________________________________

КРАСНЫЙ (что вызвало затруднения):
_________________________________________________
_________________________________________________

ПЛЮС (что взять на заметку на будущее):
_________________________________________________
_________________________________________________

Моя оценка нашей работы на уроке (от 1 до 5): _______