Команда ДВФУ – абсолютный чемпион двух международных конкурсов MathWorks 2017 года!

По условиям конкурса, участники должны были создать видеоролик с демонстрацией использования в выполненном им проекте инструмента MATLAB/Simulink, представляющего собой графическую среду имитационного моделирования и применяющегося в разработке технических систем повышенной надежности в разных отраслях промышленности. Для победы необходимо было успешнее других участников выполнить требования жюри: креативность и оригинальность проекта, глубина владения MATLAB/Simulink, популярность видео на YouTube по количеству просмотров и лайков.

Участники команды (Илья Баранчугов, Арсений Каганович, Евгений Миргородский, Юрий Николаев, Денис Плотников, Кирилл Подберезин, Олег Снегирев и Евгений Шкурин) – студенты Инженерной школы ДВФУ, обучающиеся на кафедре Технологий промышленного производства по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».

Победивший проект команды ДВФУ ­– «Industrial Robot Control Using MATLAB and Simulink»:

https://www.mathworks.com/academia/student-challenge/simulink-student-challenge-2017.html

«Промышленные роботы в условиях современных автоматизированных производств становятся все ближе и ближе к человеку. Для того, чтобы при выполнении особо сложных и ответственных технологических операций робот мог на равных взаимодействовать с человеком и даже заменять его, робот должен приобрести навыки, некогда присущие только разумным существам», – пояснил научный руководитель команды, доцент кафедры технологий и промышленного производства Инженерной школы ДВФУ, к.т.н., Борис Ноткин.

В своем проекте команда обучила серийный промышленный робот видеть команды человека-оператора и чувствовать силы, возникающие в точке подвеса маятника, размещенного на фланце робота. На примере задачи управления положением груза математического маятника студенты продемонстрировали виртуозное владение промышленным роботом и возможности современных средств модельно-ориентированного проектирования.

Успех проекта стал возможен благодаря комплексному использованию принципов прогнозирующего управления, аналитики искусственных нейронный сетей и фильтра Калмана. При разработке были применены технологии компьютерного зрения и быстрого прототипирования систем автоматического управления, инструменты моделирования кинематики робота и динамики математического маятника, а также средства коммуникации, реализованные в MATLAB/Simulink.

Примечательно, что после отправки видеоролика на конкурс ребята не прекратили работу над проектом и уже вне рамок конкурса подготовили еще один видеоролик, в котором продвинутое управление промышленным роботом продемонстрировали с помощью технологии дополненной реальности:

Ранее, летом 2017 года, команда ДВФУ стала абсолютным лидером по итогам конкурса “MATLAB and Simulink Mobile Devices Challenge” c проектом “MATLAB Mobile Floor Racing”. Для участия необходимо было создать лучшее мобильное приложение для iOS или Android на основе аналитики, разработанной в среде модельно-ориентированного проектирования (MATLAB/Simulink), или анализирующего данные со встроенных в смартфон датчиков.

https://www.mathworks.com/academia/student-challenge/spring-2017.html

Приложение команды ДВФУ “Floor Racing” позволяет с помощью проектора и нескольких смартфонов превратить любую поверхность в увлекательный гоночный трек. Управление виртуальными болидами осуществляется поворотами гаджетов в воздухе, подобно рулевому колесу автомобиля. Для реалистичности из динамиков смартфонов вырываются звуки моторов. Камеры мобильных устройств используются для персонализации игроков: с их помощью можно сделать «селфи» шофера для рейтинговой таблицы.

«Несмотря на кажущийся игровой характер проекта за его реализацией скрываются достаточно глубокие и разносторонние знания среды MATLAB, – отметил Борис Ноткин. – На сегодняшний день MATLAB занимает лидирующее место в области программного обеспечения для научных и инженерных вычислений, и владение подобными программными продуктами становится неотъемлемой составляющей в багаже компетенций современного инженера».

Организатором ежегодных соревнований в России является официальное представительство MathWorks, лидирующего мирового поставщика инструментов для математического моделирования и вычислений – Центр инженерных технологий и моделирования «Экспонента». Принять участие могут студенты технических специальностей всех вузов страны, победители получают денежные призы и сертификаты.

Конкурсы проектов с применением MATLAB/Simulink проводятся ежегодно, на высоком международным уровне, с целью выявления талантов среди студентов технических специальностей и реализации их творческого потенциала через создание уникальных проектов с помощью современного способа разработки технических систем ­– модельно-ориентированного проектирования.

Генеральный директор ЦИТМ “Экспонента” Никита Богославский:

- На основе нашего многолетнего опыта сотрудничества с вузами можно уверенно утверждать, что качество обучения напрямую связано с наличием в образовательном учреждении управляемой инфраструктуры MATLAB общего доступа – единой общеуниверситетской лицензии Тоtal Academic Headcount (TAH). Она позволяет колледжам и университетам предоставить доступ всем студентам и преподавателям к продуктам MathWorks и на территории образовательного учреждения, и за ее пределами.

Благодаря такой современной инфраструктуре сегодняшние студенты получают чрезвычайно важные для применения в реальной практике и успешной карьеры широкий технический кругозор и практические навыки командной работы в междисциплинарных проектах, что еще десятилетие назад было недоступно.

Именно через такие подходы к практико-ориентированному обучению создается инженерный кадровый потенциал, столь необходимый сегодня. Уверен, что подобный учебный процесс мирового класса возможен только в вузах уровня ДВФУ, где руководство целенаправленно формирует вычислительные инженерные компетенции с помощью современной инфраструктуры – такой как единая общеуниверситетская лицензия MATLAB, что позволяет преподавателям получить единую среду обучения, являющуюся мировым стандартом в высшем образовании и научных исследованиях. Обучение студентов с применением MATLAB/Simulink ведут такие вузы, как МГТУ им. Н.Э. Баумана, СПбГУ, ДВФУ, ТПУ.

Интервью с научным руководителем команды – Борисом Ноткиным, и одним из ее лидеров – Арсением Кагановичем:

Расскажите о проекте: откуда появилась задача, как удалось собрать команду единомышленников?

А.К.: На момент анонсирования нашего первого конкурса “Simulink Mobile Devices Challenge-2017” у меня опыта работы с мобильными устройствами в MATLAB и Simulink не было, вместе с тем сразу стало интересно c этим разобраться. После нескольких удачных тестов обмена информацией между мобильными устройствами и компьютером показал результат ребятам. Все уже знали о предстоящем конкурсе и тоже заинтересовались. В условиях ограниченных сроков решили действовать в команде. Захотелось выложиться на полную и сделать что-то по-настоящему крутое. Реализовать игровой проект показалось очень увлекательной идеей, все хотели над этим работать, а это самое главное.

А.К.: Когда узнали о втором конкурсе “Simulink Student Challenge-2017”, мы почти сразу стали думать над новым проектом. Во втором проекте появилась идея задействовать промышленный робот.

На фото Арсений Каганович

Б.Н.: Я преподаю ребятам цикл дисциплин, посвященных моделированию промышленных объектов и систем, где мы активно используем продукты MATLAB и Simulink. Поэтому, можно считать, что за судьбой этого конкурса слежу в силу профессионального интереса. Исторически так сложилось, что это не конкурс проектов, подготовленных для соревнования. Это скорее выставка успехов молодых разработчиков и исследователей, использующих в своей практике продукты MATLAB. Если посмотреть на проекты финалистов за предыдущие годы, то мы там увидим достаточно сильные и серьёзные работы, за многими из которых скрывается ни один год продуктивной работы.

Поэтому, когда ребята весной прошлого года выразили желание поучаствовать в конкурсе, и за оставшийся до дедлайна месяц придумать и реализовать проект на конкурс “Simulink Mobile Devices Challenge”, что называется «с нуля», у меня были большие сомнения относительно конкурентных перспектив этой идеи. Однако глаза у ребят «горели», и я решил поддержать их в этом стремлении, а заодно попытаться извлечь из этого максимум пользы для образовательного процесса. Для дополнительной мотивации даже предложил принять видеоотчет по выполнению конкурсного задания в качестве отчета по курсовой работе. К счастью, очень скоро стало ясно, что я недооценил шансы ребят на победу.

Благодаря чему стало понятно, что в условиях ограниченного времени у ребят есть шанс на победу и как это проявилось?

Б.Н.: Появилось то, что можно назвать синергетическим эффектом коллективной работы. Дело в том, что, выполняя эту работу в счет образовательного процесса, мы не могли от него сильно отрываться. Поэтому нужно было придумать такой проект на конкурс, в котором нашлось бы место интересам и способностям каждого из участников команды. В данном случае под интересами мы понимаем темы магистерских диссертаций ребят.

В итоге нам удалось создать такие условия, когда каждый в проекте занимается своим делом, от каждого зависит успех всего проекта, и каждый своими стараниями может сделать его лучше. Это само по себе создает одновременно и конкурентную атмосферу, и чувство локтя. Плюс конкурсный драйв, который, с одной стороны, подстёгивается общим настроем на креатив, а с другой – подгоняет поджимающими сроками. Кроме того, несвойственная обычному образовательному процессу работа в условиях, когда отсутствует заранее определенный уровень «отлично» и всегда можно сделать больше, подняв тем самым шансы на победу, мотивировала ребят на работу с полной самоотдачей.

Арсений, а что для тебя было основной мотивацией участия в конкурсе: что тебя наиболее вдохновляло при проектировании (сама победа в конкурсе или конечный результат, в большей степени, раскрытие своего творческого потенциала)?

А.К.: При подготовке проектов, на фоне интенсивной командной работы, получаемый опыт оказывается более существенным. Кроме того, очень здорово, когда каждый сначала выполняет свою часть общего дела, а затем все сливается воедино и идея осуществляется. Это и есть главная мотивация – опыт и видеть профит своей работы.

Почему решили взять именно эти темы проектов для конкурсов?

Б.Н.: Темы рождались и уточнялись в процессе мозговых штурмов. В обоих конкурсах мы пытались придумать такие темы, где бы пересеклись интересы диссертационных исследований всех участников команды. По большей части нам это удалось. Критериями отбора идей выступали требования конкурса и их реализуемость за ограниченное время. В части реализуемости, конечно, ребята «накреативили» гораздо больше задач, чем можно было успеть решить. По второму конкурсу даже было принято решение закончить запланированные задачи позже, уже вне конкурса, и сделать отдельное видео. Так появилось видео с дополненной реальностью, которая по планам должна была появиться в конкурсном видео. Приятно осознавать, что проекты ребят победили с такой форой.

С какими трудностями пришлось столкнуться при выполнении конкурсных проектов? 

А.К.: В первом конкурсе, когда мы собрали все части проекта воедино, оказалось, что нам не хватает производительности и игра «тормозит». Поэтому там возникла дополнительная задача – оптимизация моделей в части требуемых вычислительных ресурсов. Для ее решения мы везде, где это возможно, перешли к матричным операциям.

Во втором проекте для измерения состояния маятника мы использовали силомоментный датчик. Прибор очень точный и дорогой, но он предназначен для измерения сил и моментов, а не углов и угловых скоростей. В итоге существенная часть работы во втором проекте была посвящена не столько управлению маятником, сколько оценке его состояния по силам в точке подвеса. Выяснилось, что это связь сильно нелинейная и не везде однозначная. Поэтому пришлось использовать нейронные сети, а то, что не удавалось оценить напрямую, восстанавливать с помощью фильтра Калмана.

Сколько времени команде потребовалось на реализацию проекта планирует ли команда развивать его тематику?

Б.Н.: Каждый проект стартовал примерно за месяц до дедлайна, переход в активную фазу – за две недели до отправки видеоролика. За эти две недели активной работы над проектами ребята получали столько опыта и знаний, сколько они не могли бы получить за месяцы обучения в размеренном темпе обычного образовательного процесса.

Опыт, полученный в ходе работы над проектами, а в некоторых случаях и составные задачи с полученными для них решениями в дальнейшем станут частями магистерских диссертаций участников. Кроме того, ребята уже присмотрели и активно обсуждают участие в другом конкурсе, посвященном программированию промышленных роботов.

Арсений, какой совет можешь дать будущим участникам конкурса – на что обратить внимание?

А.К.: Главный мой совет будущим участникам конкурса – время. Его не хватит в любом случае, но если начать проект раньше, то этот дефицит времени, наверное, не будет выглядеть так критично. У нас в обоих случаях не получилось это проверить (улыбается – прим. ред.).

В марте планируется участие Бориса Ноткина в ежегодной конференции представительства MathWorks (ЦИТМ «Экспонента») «Технологии разработки и отладки сложных технических систем-2018» (г. Москва), в рамках которой запланировано торжественное поздравление команды ДВФУ.