Просмотр исходного текста страницы Анализ свободных средств разработки для образовательной робототехники (Евгений Синельников, OSEDUCONF-2017)

== Аннотация ==
;Докладчик: {{Speaker|Евгений Синельников}}
<blockquote>
Современные робототехнические конструкторы требуют специальные средства разработки.

Подобные средства разработки позволяют снизить порог вхождения при программировании автономных робототехнических устройств, оснащённых датчиками и
исполнительными механизмами, то есть роботов. На текущий момент возможности свободного программного обеспечения в
области образовательной робототехники ограничены, а их разработка имеет свою актуальную проблематику. 

В данном докладе представлен анализ возможностей и ограничений средств разработки для программирования роботов на примере подготовки
олимпиадных задач и участия в олимпиадах по робототехнике.

* [https://github.com/centrit/AXRobot Arduino templates for Robots]
</blockquote>

== Видео ==
{{vimeoembed|201654588|800|450}}
{{youtubelink|kED4pmWRw9E}}
== Слайды ==
[[File:Анализ свободных средств разработки для образовательной робототехники (Евгений Синельников, OSEDUCONF-2017).pdf|left|page=-|256px]]

== Тезисы ==
<latex>
\section{Задачи образовательной робототехники}
Ответ на вопрос: «Что такое робот?», — с  точки зрения содержания и методики преподавания, можно свести к двум
вариантам:

\begin{itemize}
\item Робот — это автономное, программируемое, программно-аппа\-рат\-ное решение с набором датчиков и исполнительных
механизмов;
\item Робот — это управляемый набор программно-аппаратных компонент, осуществляющий различные производственные и иные
операции.
\end{itemize}

В первом случае, основной упор делается на разработку и программирование автономной робототехнической модели, например,
для решения олимпиадных задач, во втором — на подробное изучение функциональных возможностей отдельных
программно-аппаратных компонент, представленное в иностранных образовательных заведениях, как  STEM-направление
\cite{sin-8}.

\section{Программно-аппаратные средства}
Данный доклад посвящён разбору возможностей и ограничений средств разработки для программирования роботов в рамках
первого подхода. При этом, одну из важнейших функций играет поддержка средой разработки возможности программирования
той или иной робототехнической платформы через различные проводные и беспроводные интерфейсы. Стандартом де-факто, в
качестве такой платформы в задачах олимпиадного, робототехнического программирования, на текущий момент, является
конструктор Lego Mindstorms EV3 \cite{sin-1}. В качестве свободной, недорогой альтернативы ему представлены
различные решения на базе платформы Arduino \cite{sin-3}, которая включает в себя открытую аппаратную платформу для
различных типов микроконтроллеров и среду разработки, позволяющую выполнять прошивку этих микроконтроллеров через
стандартный USB-интерфейс.

В силу открытости платформы Arduino крупные компании самостоятельно реализуют для неё поддержку своих отладочных плат —
Edisson \cite{sin-6} от Intel, LaunchPad \cite{sin-7} от Texas Instruments, ESP8266 \cite{sin-4} от Espressif и
др. Кроме того, для большинства недорогих датчиков и исполнительных механизмов, как правило, доступно множество
примеров исходного кода. 

Таким образом, одной из основный свободных альтернатив, в качестве аппаратной базы для образовательной робототехники,
является именно платформа Arduino. Тем не менее, реальное применение Arduino, в качестве замены для весьма
дорогостоящих Lego Mindstorms, в задачах образовательной и олимпиадной робототехники до сих пор не осуществлена, в силу
следующих причин:

\begin{itemize}
\item основной язык программирования для Arduino --- С++;
\item целостная сборка готового решения на базе доступных примеров, зачастую, требует реализации элементов операционной
системы реального времени;
\item различные аппаратные средства требуют подключения и монтажа электронных компонент через различные аппаратные
интерфейсы (I2C, UART, SPI), а также реализацию протоколов для проводных и беспроводных интерфейсов (Ethernet, Wifi,
Bluetooth и др.);
\item Отсутствуют и требуют дополнительного программирования кнопки управления, модуль визуального отображения и вывода
звука;
\item Требуется отдельное подключение исполнительных механизмов через специальные силовые драйверы с повышенным
напряжением, а также подключение и программирование энкодеров.
\end{itemize}

С одной стороны, такой минимализм позволяет максимально подробно изучить дополнительные модули, аппаратные интерфейсы и
спецификации на протоколы, а также низкоуровневое программирование с использованием портов ввода-вывода, прерываний,
аналого-цифровых преобразователей и таймеров. Но это актуально, скорее, в рамках демонстрации выполнения операций
осуществляемых роботом. Готовое, автономное решение для олимпиадного соревнования в обозримые сроки, силами школьников
подготовить таким образом довольно сложно.

\section{Средства разработки}
Тем не менее, в качестве базовой, свободной среды разработки для доступных по стоимости робототехнических решений
являются средства платформы Arduino.

При этом, например в Mindstorm, где все аппаратные модули заранее реализованы, за программную часть управления
аппаратными средствами отвечает операционная система на базе Linux, базовая прошивка, включающая специализированную
виртуальную машину и генератор байткода для этой виртуальной машины, реализованный в рамках пропритарной графической
среды разработки, работающей под MacOS и Windows (есть вариант запустить с помощью wine).

%\begin{figure}[h!]
%\centering
%\ncludegraphics[width=0.6\textwidth]{robots_arch1}
%\caption{}
%\label{img1}
%\end{figure}

В качестве альтернативы для программирования Mindstorm существует ряд дополнительных свободных проектов, загружаемых с
внешней SD-карты…

%\begin{figure}[h!]
%\centering
%\ncludegraphics[width=0.6\textwidth]{robots_arch2}
%\caption{}
%\label{img1}
%\end{figure}

\begin{itemize}
\item EV3Dev\cite{sin-5} сборка на базе Debian (не имеет среды разработки, позволяет использовать любые языки
программирования доступные в прошивке, при подключении через SSH — shell, python, C/C++, NodeJS и др.);
\item LejOS  на базе Java (имеет плагин для среды Eclipse);
\item MonoBrick на базе .Net/Mono (имеет плагин для среды Xamarin Studio);
\end{itemize}

Кроме несовместимых с базовой прошивкой свободных альтернатив существует проприетарный набор продуктов RobotC, который
самостоятельно генерирует байтокод для виртуальной машины из базовой прошивки, поддерживает дополнительные платформы, в
частности Arduino, а также предоставляет трехмерную среду-эмулятор для отладки программ.

Подобное решение представлено в свободной, кроссплатформенной, графической среде разработки TrikStudio (первичное
название qreal). Данная среда поддерживает, как собственную платформу TRIK, так и платформу Mindstorm. При этом
поддержка платформы Arduino отсутствует, но имеется встроенная, двухмерная среда{}-эмулятор для отладки программ.

Одним из перспективных вариантов реализации универсальной, графической среды разработки является следующее поколение
программной платформы ScratchX (или Scratch 2.0), выполненное на базе web-технологий (также доступная в offline режиме
через технологию Adobe Air). В этой программной платформе поддержка различных аппаратных платформ реализована в виде
плагинов для браузера Chrome. К сожалению, на текущий момент, поддержка Linux в этом решении отсутствует.

При этом, для платформы Arduino имеется имеется брошенный, не развивающийся, но пока работоспособный, проект
графического расширения Ardublock, выполненный в виде java-плагина, реализованный на базе OpenBlocks в виде таких же
блоков, как в проекте Scratch. На текущий момент, это наиболее простое, доступное средство графического
программирования для Arduino.

Кроме десктопных решений, для платформы Arduino реализован ряд web-эмуляторов с поддержкой различного оборудования.
Наиболее популярным среди них является набор 123D/circuits.io от Autodesk. С недавнего времени, в рамках проекта
Arduino, реализовано собственное web-решение Arduino Create \cite{sin-2} с возможностью прошивки контроллеров через
плагин для браузера.

\section[Возможности и ограничения в олимпиадных задачах]{Возможности и ограничения в олимпиадных задачах}
Практика подготовки к решению олимпиадных задач по робототехнике даёт ряд противоречивых ограничений — сложность
освоения среды разработки (включая язык программирования) и необходимость реализации не тривиальных алгоритмов (включая
работу со структурами данных). В первом случае графическая среда разработки помогает снизить порог вхождения, во втором
— существенно замедляет или, вообще, не позволяет достаточно выразительно реализовывать алгоритмы.

Создание цепочки функций со входными и выходными параметрами, работа с массивами, списками, стековыми структурами, а
также строчные операции в графических средах зачастую выглядят громоздко и «нечитабельно».

В связи с этим возможности платформы Arduino выглядят достаточно перспективно в случае генерации настроек и базового
кода на основе шаблонов. Особенно для средств разработки и симуляции, доступных в виде web-решений. Тем не менее,
актуальность генерации кода на основе визуальных шаблонов, диаграмм и блок-схем сохраняется для олимпиадных и
образовательных задач по робототехнике. Отсутствие же таких средств, резко снижает возможности платформы Arduino по
сравнению с платформой Mindstorm.

На текущий момент существует целый ряд возможностей и вариантов реализовать двухступенчатую схему программирования (как
в графическом, так и в текстовом виде) в рамках платформы Arduino. Возможно, реализацию такого решения имеет смысл
выполнить в виде web-приложения.

\begin{thebibliography}{9}
\bibitem{sin-1} \emph{Л.\,Ю.\,Овсяницкая, Д.\,Н.\,Овсяницкий, А.\,Д.\,Овсяницкий}, Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / М. Издательство <<Перо>>, 2016
\bibitem{sin-2} \emph{Alice Pintus}, Sneak peek on the new, web-based Arduino Create, 2015, \url{https://blog.arduino.cc/2015/05/05/sneak-peak-arduino-create/}
\bibitem{sin-3}  Arduino, Getting Started with Arduino and Genuino products, 2016, \url{https://www.arduino.cc/en/Guide/HomePage}
\bibitem{sin-4} \emph{Neil Kolban}, Kolban's Book on the ESP32 \& ESP8266 / Leanpub, 2016
\bibitem{sin-5}  \emph{Ralph Hempel and David Lechner}, Getting Started with ev3dev, 2016, \url{http://www.ev3dev.org/docs/getting-started/}
\bibitem{sin-6} \emph{Stephanie Moyerman}, Getting Started with Intel EdisonSensors, Actuators, Bluetooth, and Wi-Fi on the Tiny Atom-Powered Linux Module / Maker Media, Inc, 2015
\bibitem{sin-7}  \emph{Texas Instruments}, Getting Started with Energia, 2016, \url{http://energia.nu/guide/}
\bibitem{sin-8}  \emph{U.S. Department of Education, Science, Technology, Engineering and Math}: Education for Global Leadership, 2015, \url{https://www.ed.gov/stem}
\end{thebibliography}
</latex>

{{----}}

== Примечания и отзывы ==
<!-- <blockquote>[©]</blockquote> -->

<references/>





<!-- topub -->




{{stats|disqus_comments=0|refresh_time=2017-11-24T23:19:10.592019|youtube_plays=3|vimeo_comments=0|youtube_comments=0|vimeo_plays=27}}

[[Категория:OSEDUCONF-2017]]
[[Категория:СПО в образовании]]
[[Категория:Робототехника]]
[[Категория:Arduino]]