Наставники | Журнал Кружковое движение

Роверы в снегу и камера на удочке

Мы продолжаем серию интервью с наставниками Национальной технологической олимпиады (НТО). В преддверии финала профиля «Аэрокосмические системы», который пройдёт с 27 февраля по 5 марта, мы поговорили с организатором профиля — Антоном РОГАЧЁВЫМ, ведущим инженером НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова и одним из основателей проекта «Братья Вольт» (Voltbro), разрабатывающего оборудование для инженерного образования. Антон рассказал нам о появлении «Аэрокосмических систем», распределении ролей в команде на этом профиле и о правильном подходе к решению задач НТО.
Антон Рогачёв
Наталия Саюкина: Расскажите, пожалуйста, что вас привело в эту область, почему вы занялись аэрокосмическими системами?

Антон Рогачёв: Я работаю в НИИ механики МГУ. Мы с товарищами физики, а физики занимаются много чем. Изначально я работал в IT, а они – в НИИ ядерной физики Московского государственного университета (НИИЯФ МГУ). В 2015 году у нас появилась возможность организовать Лабораторию аэрокосмической инженерии в МГУ, что мы и сделали. Вокруг лаборатории сложилась группа единомышленников, решивших развивать аэрокосмическое направление, а университет дал нам помещение под лабораторию, в которой мы начали реализовывать образовательные проекты, связанные со спутниками. Продолжаем это делать и сейчас, только уже в Лаборатории робототехники.

Н.С.: Как начиналась ваша работа в НТО? Один из руководителей профиля «Автономные транспортные системы» (АТС) НТО, Василий Белкин, в интервью упомянул, что изначально вы работали с ним.

А.Р.: В 2016 году наша лаборатория, в особенности я и Костя Климов, оказались в составе организаторов новой олимпиады, так как уже занимались инженерными соревнованиями. С нами были Василий Белкин и Ольга Прудковская от Московского Политеха, Андрей Коригодский от «Коптер Экспресс». Была ещё четвёртая команда, общеметодическая – её представляли Наталья Петровская, Александр Страхов и Мария Пашедко из Центра педагогического мастерства. Вместе создавая профиль АТС, мы договорились объединить различные автономные устройства, связанные с космосом, водой, воздухом и землёй. Представить их как одно большое направление, в котором просто есть несколько сред для взаимодействия – красивая идея, и её получилось реализовать.

В итоге мы вместе построили огромный четырнадцатиметровый полигон. Используя различные виды транспорта, требовалось доставить груз с одного конца полигона на другой. Посылка сперва проплывала на автономном кораблике по лабиринту, потом передавалась на машинку, ехавшую по дороге со светофорами, а в конце её принимал квадрокоптер. Также там были краны и порт, а над всем полигоном летал спутник на рельсе, который позволял осуществлять навигацию.

Конкретно мы, команда из МГУ, взяли на себя космос и воду. До сих пор наши кораблики, на мой взгляд, являются интересным соревновательным инструментом.

Н.С.: А как начинался профиль «Аэроксмосмические системы»?

А.Р.: Профиль «Аэрокосмические системы» начался из-за сложностей в организации большого профиля АТС: у всех было своё видение его развития. В то же время команда нашей аэрокосмической лаборатории достаточно серьёзно занялась робототехникой. Поэтому мы решили открыть собственный профиль по моделированию и управлению роботом, который находится вне зоны видимости человека, что максимально приближено к реальным условиям работы.

Наш профиль – про современную робототехнику, про технологии, которые реально используются в космосе, например, на человекоподобных роботах Valkyrie и на дронах Zero Robotics. Конечно, сложность космических проектов феноменальная, и невозможно за четыре дня сделать что-то, что будут реально применять. Но можно дать ребятам возможность узнать космические технологии, поработать с ними.

На первом финале «Аэрокосмических систем» команда участников должна была разработать систему бурения, забора жидкости и её анализа. Ребята собирали бур и, глядя на экран монитора в центре управления полётами, следили через камеры, как их машина передвигается и делает отверстия. Участники старались понять, удалось ли добраться до жидкости. Если да – в отверстие просовывалась трубочка и вода откачивалась. Жидкость была двух видов, с марганцовкой и без неё. Требовалось понять, до какой воды удалось добраться, и вылить её в соответствующую ёмкость. Если я правильно помню, в тот первый раз ни одна из команд не справилась с задачей полностью. Сложность увеличивало то, что изображения с камер всегда приходят с задержками.

Н.С.: А какой материал бурили?

А.Р.: Пеноплэкс. Это теплоизоляционный материал, похожий на пенопласт. Мы налили воду, а сверху сделали постамент из пеноплэкса. Он моделировал грунт над жидкостью. Или корку льда, или горную породу – любую кору планеты. Машина заезжала на него и бурила.

Н.С.: Ребята полностью самостоятельно программировали оборудование?

А.Р.: Да, мы всегда даём им только коробку, ровер. Это машинка на колёсах, которая может двигаться. Команды сами собирали насосную станцию и регулировали работу камер, чтобы им было удобнее управлять ровером.
Ровер
Н.С.: Как сейчас проходят соревнования по профилю «Аэрокосмические системы»? Расскажите немного о каждом этапе.

А.Р.: На первом этапе участники решают задачки по физике и информатике, а на втором выбирают задание одного из трёх направлений: конструирование, низкоуровневое программирование или высокоуровневое. В последнем школьники программируют на языке Python и в мета-операционной (с открытым исходным кодом) системе ROS. На ней работает большинство роботов в мире, и именно она стоит на роверах, позволяя делать систему управления и навигации. А выбравшие низкоуровневое программирование ребята занимаются микроконтроллерами. Для каждого направления у нас есть специальные курсы на Stepik: по конструированию, по контроллерам Arduino и по Python. Они доступны всем участникам и помогают подготовиться к НТО.

На третьем этапе ребята уже в команде, где у каждого своя роль, вместе решают финальную задачу, а на самом финале их роли меняются. Один из участников, обычно программист, становится оператором, управляющим ровером на площадке. Второй получает изображения с ровера, принимает решения о следующих передвижениях и даёт команды оператору. Третий участник тоже находится на площадке, но может только переживать. Ну, и нажимать кнопку «стоп», когда ситуация выходит из-под контроля, чтобы ровер не самоубился.

Н.С.: Похоже, третья роль – самая непростая. А есть ли у вашего профиля студенческий трек?

А.Р.: Он проводился один раз, организовывали мы его совместно со «Сколтехом», который надеялся увидеть на олимпиаде четверокурсников, будущих магистрантов. Но пришли, в основном, более юные студенты, которых невозможно было зачислить в магистратуру.

Н.С.: Что вам особенно запомнилось за годы работы в НТО?

А.Р.: Много интересного было. В «Аэрокосмических системах» запомнилось, как ребята одной из команд сверлили грунт. Раз просверлили и попробовали вставить трубочку, второй раз… Все их попытки не увенчались успехом, а потом оказалось, что они не досверлили всего лишь долю миллиметра. Это было так обидно! Совсем чуть-чуть терпения не хватило. Но они всё равно победили.

Интересно, что у нас появились наследуемые знания в командах. В основном у новосибирских ребят, которые входят в сообщество AXIOM. Участники прошлых лет, например, одиннадцатиклассники, передают свои знания следующим поколениям, девятиклассникам, десятиклассникам. Старшие и более опытные участники НТО становятся наставниками для новичков, и те лучше готовятся.

Н.С.: Вы уже не первый наставник НТО, который отмечает новосибирские команды.

А.Р.: Им часто не везёт, поэтому мы за них переживаем.

А среди задач прошлых лет мне часто вспоминается наша первая задача, для АТС, где команды программировали корабль. Одна из них умудрилась сделать так, чтобы он феноменально проплыл половину пути, удивив тестировавших задачу студентов МГУ. Корабль маневрировал в сантиметре от препятствий, это очень высокий уровень.

Н.С.: А что случилось со второй половиной пути?

А.Р.: А со второй половиной пути этот корабль не справился. Просто не доплыл. Программировавший его школьник сказал, что первую половину задач решил, а вторую – не успел.

Проблема в том, что наши задачи сложны, а времени на их решение даётся очень мало. Поэтому чем проще решение, тем оно лучше. Было такое, что ребята шли средненько, но зато на площадке работали слаженно, алгоритмы выполнения заданий у них были хорошие. И они достигли большего, чем ребята с классными решениями, но не сумевшие справиться с управлением роботом на площадке.

Н.С.: То есть будущим участникам вы бы порекомендовали быть проще?

А.Р.: Да, быть как можно проще и больше тестироваться на площадке. Чем дольше вы будете оттачивать своё решение, тем меньше останется времени на тестирование. Правильный баланс очень важно уловить. Если вся техника отлично запрограммирована, но вы сами плохо работаете на площадке, у вас не будет результата.

Н.С.: Какую задачу прошлых лет вы назвали бы наиболее удавшейся вам как разработчикам, а какую – самой сложной?

А.Р.: Если говорить о нашей подготовке, самой сложной для нас была задача со спутником, для которой пришлось подумать над тем, как нужно организовать процесс. Мы впервые вышли из помещения в открытое поле, решили работать на земле, на которой лежал снег. Мы понимали, что на такой площадке ровер может буксовать, поехать не туда и даже закопаться в снегу.

Н.С.: Вы делали в снегу специальные дороги?

А.Р.: Нет, никаких дорог. Успех команды зависел от того, какую стратегию езды команда выбирала для движения по бездорожью. Было пространство, где можно проехать спокойно, а были более сложные дороги. Ребята не видели, что происходит с роботом, и могли лишь раз в минуту смотреть на картинку, которую им спутник передаёт, и раз в 20 секунд скачивать картинку, которую видит камера на ровере. Продолжает ли в паузы ровер ехать вслепую – это зависит от того, как алгоритм сделать. Проще было командам, которые догадались, что лучше получать картинку, когда робот находится в статичном положении, а потом принимать решения, что делать дальше. Одна из команд справилась с этим отлично.

А самую удавшуюся задачу выделить не могу. Сложно сравнивать задания, которые школьники выполняют на полигоне вживую, с дистанционными, в которых больше программирования, а участники не могут нормально применять свои навыки в области конструирования.

Н.С.: Можете подробнее рассказать, как проходили дистанционные финалы?

А.Р.: В 2020–2021 гг. мы построили полигон в НИИ механики МГУ. Большой, на одного ровера, с несколькими загончиками для тестирования маленьких роботов. А в 2021–2022 гг. разделили единый полигон на шесть поменьше, чтобы команды могли тестироваться одновременно.

Для дистанционных заданий использовались роботы TurtleBro. Они построены на той же платформе, что и роверы, только предназначены для работы на полигоне в помещении.
Робот TurtleBro
Задачи были разные. В прошлом сезоне команда, получая раз в минуту фотографии с камеры, расположенной сверху, должна была провести ровер по маршруту, расставить четыре фишки по углам квадрата метр на метр и вернуться на базу. Оказалось, что не так сложно поставить фишку, как не сбить её при дальнейших манипуляциях.
А в предыдущем сезоне участникам надо было скачать NFC-метки, проехать в автономном режиме по лабиринту, открыть спасательную капсулу и заехать в неё.

Н.С.: А что лично вы делаете во время финала на площадке?

А.Р.: Иду пить кофе, – смеётся. – А ещё произношу речь перед стартом, наблюдаю за процессом и решаю возникающие организационные вопросы.

Непосредственно поддержкой на полигоне занимается другая команда. Мы заранее вместе обсуждаем задачу финала: проводим мозговой штурм, на котором решаем, какие технологии будут использоваться в задаче, какой мы на этот раз построим полигон. Мы регулярно собираемся, решая возникающие вопросы. А на финале все уже знают, что делать.

Н.С.: С какими трудностями вы сталкивались при организации профиля?

А.Р.: С организационной точки зрения, конечно, мы решили много вопросов. Например, нужно было сделать так, чтобы спутник на улице следил за полигоном. Нам требовалось повесить большую камеру на высоте шести метров. Мы хотели вывести камеру с третьего этажа, но площадка-организатор запретила открывать окна в колледже. И мы взяли большую лестницу, прикрепили на неё удочку, и камера была на пятиметровой удочке.

Н.С.: Ого. Наверное, она сильно раскачивалась?

А.Р.: Нет. Там ветра практически не было. А один раз мы столкнулись с тем, что участник попросил через интернет помощи у друзей. Мы это пресекли, но нам пришлось применять штрафные санкции.

Н.С.: Сейчас НТО в самом разгаре. Как проходит профиль «Аэрокосмические системы» в этом сезоне, в 20222023 гг.?

А.Р.: Финал в 2023 году будет дистанционным, а содержание его задачи – всегда сюрприз, хотя там обязательно присутствует робот и центр управления полётами.

Сейчас участники закончили решать дистанционные задачи второго этапа. В целом результаты неплохие, а качество их работы растёт от года к году. Они более системно подходят к решению задач. У них всё успешнее получается работать в команде.

Мы видим, что они лучше справляются, когда можем от года к году усложнять задачи или оказывать меньше помощи. А ещё когда ребята начинают задавать менее простые вопросы. Многие теперь знают, что такое профиль и где все задачи прошлых лет выложены.

Н.С.: А можно сказать, что качество подготовки участников растёт, потому что качество подготовительных материалах выросло?

А.Р.: Не думал об этом. Всё же нет, это ребята готовятся лучше. И начинают участвовать с 8 класса, поэтому в 10 уже умеют больше. Ну и появились старшие участники, которые передают опыт младшим, как я уже говорил.

Н.С.: Часто ли финалисты профиля связывают свою дальнейшую жизнь с космосом?

А.Р.: По активностям, которые мы проводим помимо НТО, мы знаем, что многие финалисты нашего профиля планируют пойти в космическую отрасль, поступают в МГТУ им. Баумана, Московский авиационный институт (МАИ), Московский физико-технический институт (МФТИ), Самарский университет, прославившийся исследованием аэрокосмических технологий.

Н.С.: Что бы вы хотели пожелать участникам НТО и коллегам в наступившем году?

А.Р.: Удачи, слаженной работы команды и побольше времени на подготовку. А ребятам ещё – делать проще и больше тестировать.
НАСТАВНИКИ