Record Details

Energetically self-sufficient robot group study kit

Open Education

View Archive Info
 
 
Field Value
 
Title Energetically self-sufficient robot group study kit
Комплекс для изучения энергетически автономных коллективов роботов
 
Creator M. Rovbo A.; National Research Centre “Kurchatov Institute”
A. Malyshev A.; National Research University Higher School of Economics;
National Research Centre “Kurchatov Institute”
М. Ровбо А.; Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
А. Малышев А.; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»;
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
 
Subject group robotics; energy self-sufficiency; educational kit; energy collection; mobile robot
групповая робототехника; энергетическая автономность; учебный набор; сбор энергии; мобильный робот
 
Description The article considers the project of educational and research software and hardware kit designed for use in case-based educational project activities based on the theme of energetically autonomous robots. An important feature of the complex is its interdisciplinarity since robotics combines many fields of science and technology — mechanical design, electronics, programming, elements of artificial intelligence, energy science and others. Students can receive basic knowledge in these areas as well as gain practical skills in solving real problems that require a convergent approach. The kit serves as an experimental basis that allows to study intricacies of robot control and its hardware and software design while making structural changes, including using different power units: solar, fuel, thermoelectric and others. Power units (converters and the various sources of renewable energy) may be considered both from the theoretical point of view, i.e. from the principles of their functioning and from the practical aspect — studying their practical application in real systems. Another important aspect of the system is the development of software architecture for a robot and for a team of robots as well as studying the interactions between them. In addition to performing the target task, ancillary tasks such as maintaining the battery level, communication with other team members in a multi-agent system, should be considered in the control algorithm of the robot, which allows to study the distribution of priorities between these objectives, as shown in the example of multicriteria optimization. The prototype of the kit and its usage according to the described approach have been partially validated by conducting computational experiments with algorithms based on different search methods (random search, closest source and multi-criteria optimization methods), multi-agent paradigm and adaptive control which show a variety of possible approaches and illustrate the process of students' work. The hardware base has been validated by testing various energy modules and assembling robot using the modules of the proposed kit. The results showed the possibility and potential of studying a variety of interdisciplinary themes using the developed hardware and software complex.
В статье рассматривается проект создания учебно-исследовательского программно-аппаратного комплекса, предназначенного для использования в образовательной проектной деятельности и основанный на тематике энергетически автономной робототехники. Важной особенностью комплекса является междисциплинарность, так как робототехника объединяет в себе множество областей науки и техники: механику, конструирование, электронику, программирование, элементы искусственного интеллекта, энергетику и другие. Учащиеся получают базовые знания в этих областях и практические навыки по решению реальных задач, требующих конвергентного подхода. Комплекс является показательным экспериментальным базисом, позволяющим изучать особенности управления роботом и его программно-аппаратную структуру при внесении конструкционных изменений, в том числе и при использовании различных энергетических блоков: солнечных, топливных, термоэлектрических и других. Энергетические блоки — преобразователи и источники различной возобновляемой энергии — можно рассматривать как с теоретической точки зрения, т.е. со стороны принципов их функционирования, так и с практической — знакомиться с их применением в реальных системах. Другой важный аспект работы с комплексом — разработка программной архитектуры робота и коллектива роботов, изучение особенностей взаимодействия между ними. Помимо выполнения целевой задачи, в алгоритме функционирования робота должны учитываться вспомогательные задачи, такие как поддержание уровня заряда аккумулятора, коммуникация с другими членами коллектива при многоагентном управлении, что позволяет изучать распределение приоритета между этими задачи, что показано на примере многокритериальной оптимизации. Прототип комплекса и работа с ним согласно описываемому подходу была частично апробирована путём проведения вычислительных экспериментов с алгоритмами, основанными на различных поисковых методах — случайном поиске, поиске ближайшего источника и методе многокритериальной оптимизации, — многоагентной парадигме, адаптивном управлении, которые показывают разнообразие возможных подходов и иллюстрируют процесс работы учащихся с комплексом. Аппаратная база апробировалась тестированием различных энергетических модулей, а также сборкой робота из модулей предложенной элементной базы. Результаты показали возможность и перспективность изучения разнообразных междисциплинарных тем с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса.
 
Publisher Plekhanov Russian University of Economics
 
Contributor partially supported by the Russian Science Foundation, project no 16-11-00018
частичная поддержка: грант РНФ №16-11-00018
 
Date 2017-03-10
 
Type info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
—
—
 
Format application/pdf
 
Identifier http://openedu.rea.ru/jour/article/view/368
10.21686/1818-4243-2017-2-68-77
 
Source Open Education; № 2 (2017); 68-77
Открытое образование; № 2 (2017); 68-77
2079-5939
1818-4243
10.21686/1818-4243-2017-2
 
Language rus
 
Relation http://openedu.rea.ru/jour/article/view/368/321
http://openedu.rea.ru/jour/article/downloadSuppFile/368/48
http://openedu.rea.ru/jour/article/downloadSuppFile/368/49
http://openedu.rea.ru/jour/article/downloadSuppFile/368/50
http://openedu.rea.ru/jour/article/downloadSuppFile/368/51
http://openedu.rea.ru/jour/article/downloadSuppFile/368/52
http://openedu.rea.ru/jour/article/downloadSuppFile/368/53
Махотин Д.А. Проектный подход к технологии обучения в системе высшего профессионального образования // Подготовка специалистов в области менеджмента качества. 2005. № 1. С. 11–21.
Фещенко Е.М. Проектный подход и его роль в формировании профессиональной компетентности педагога-психолога // Образование и общество. 2008. № 6. С. 54–59.
Петегем В.В., Каменски Х. Образование для инноваций (применение передовой методики преподавания в ЮФУ). Южный Федеральный университет, 2009. 120 с.
Переверзев Л.Б. Проектный подход к образовательным проблемам // Методология учебного проекта. Сборник статей. Москва: МИОО, 2001.
Павловская С.В., Сироткина Н.Г. Анализ опыта проектной деятельности при преподавании управленческих дисциплин в вузах // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4.
Сафонова Е.И. Рекомендации по использованию инновационных образовательных технологий в учебном процессе. Москва: Российский государственный гуманитарный университет, 2011. С. 71.
Adib R., Murdock H.E., Appavou F., Brown A., Epp B., Leidreiter A., Lins C., Murdock H.E., Musolino E., Petrichenko K., Farrell T.C., Krader T.T., Tsakiris A., Sawin J.L., Seyboth K., Skeen J., Sovacool B., Sverrisson F., Martinot E. Renewables 2016 Global Status Report // Global Status Report RENEWABLE ENERGY POLICY NETWORK FOR THE 21st CENTURY (REN21), 2016. 272 с.
Mathias. Solar Cell Efficiency World Record Set By Sharp – 44.4% [Электронный ресурс]. 2013. URL: http://cleantechnica.com/2013/06/23/solarcell-efficiency-world-record-set-by-sharp-44-4.
Schultz, O., A. Mette, R. Preu, Glunz S.W. Silicon solar cells with screen-printed front side metallization exceeding 19% efficiency // 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 2007. С. 980–983.
Seeed Studio. «1w Solar Panel 80*100» [Электронный ресурс]. 2010.
Кривобоков В.П., Согучов Н.С., Соловьёв А.А. Электрохимия топливных элементов. Издательство Томского политехнического университета, 2008. 127–138 с.
Готовцев П.М., Воробьёв В.В., Мигалёв А.С., Бадранова Г.У., Горин К.В., А.Н. Решетилов, Р.Г. Василов. Биоэнергетика для автономных роботов. Перспективные решения и современное состояние. // Вестник биотехнологий и физико- химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. 2015. Т. 11, № 2. С. 49–58.
Kanwal A., Wang S.C., Ying Y., Cohen R., Lakshmanan S., Patlolla A., Iqbal Z., Thomas G.A., Farrow R.C. Substantial power density from a discrete nano-scalable biofuel cell // Electrochem. commun. 2014. Т. 39. С. 37–40. DOI: 10.1016/j. elecom.2013.12.010.
Du Z., Li H., Gu T. A state of the art review on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy // Biotechnol. Adv. 2007. Т. 25, № 5. С. 464–482. DOI: 10.1016/j. biotechadv.2007.05.004.
Rosenbaum M.A., Franks A.E. Microbial catalysis in bioelectrochemical technologies: status quo, challenges and perspectives // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2014. Т. 98. С. 509–518. DOI: 10.1007/ s00253-013-5396-6.
Elouarzaki K., Haddad R., Holzinger M., Goff A. Le, Thery J., Cosnier S. MWCNT-supported phthalocyanine cobalt as air-breathing cathodic catalyst in glucose/O2 fuel cells // J. Power Sources. 2014. Т. 255. С. 24–28. DOI: 10.1016/j. jpowsour.2013.12.109.
Подиновский В.В., Потапов М.А. Метод взвешенной суммы критериев в анализе многокритериальных решений: pro et contra // Математические методы и алгоритмы решения задач бизнес-информатики. 2013. Т. 25, № 3. С. 41–48.
Barca J.C., Sekercioglu Y.A. Swarm robotics reviewed // Robotica. 2013. Т. 31, № 3. С. 345– 359. DOI: 10.1017/S026357471200032X.
Kernbach S. Collective Energy Foraging of Robot Swarms and Robot Organisms // Arxiv Prepr. arXiv1111.0873. 2011.
Sindi Y., Winfield, Melhuish S. A feasibility study for energy autonomy in multi robot search and rescue operations // Advances in Mobile Robotics: Proceedings of the Eleventh International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines. Coimbra: World Scientific Publishing Co, 2008. С. 1146–1153. DOI: 10.1142/9789812835772_0137.
Карпов В.Э. Модели социального поведения в групповой робототехнике // Управление большими системами. 2016. № 59. С. 165–232.
Humza Qadir R. Self-Sufficiency of an Autonomous Self-Reconfigurable Modular Robotic Organism. Universitat des Saarlandes, 2013.
Dai H. Adaptive Control in Swarm Robotic Systems // Hilltop Rev. 2009. Т. 3, № 1.
Raja H., Scholz O. A Case Study on SelfSufficiency of Individual Robotic Modules in an Arena With Limited Energy Resources // ADAPTIVE 2011: The Third International Conference on Adaptive and Self-Adaptive Systems and Applications. Rome, 2011. С. 29–35.
Ровбо М.А. Распределение ролей в гетерогенном муравьино-подобном коллективе // Пятнадцатая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием (КИИ-2016). Смоленск, 2016. Т. 2. С. 363–371.
North M.J., Collier N.T., Ozik J., Tatara E.R., Macal C.M., Bragen M., Sydelko P. Complex adaptive systems modeling with Repast Simphony // Complex Adapt. Syst. Model. Springer Berlin Heidelberg, 2013. Т. 1, № 1. С. 1–26. DOI: 10.1186/2194-3206-1-3.
 
Rights Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
Авторы, публикующие в данном журнале, соглашаются со следующим:Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договорённости, касающиеся не-эксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге), со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access).