Тест на тему Составление программы для комбинированных роботов

Ниже представлен тест для школьников 11 класса по предмету Программирование на тему: «Составление программы для комбинированных роботов». Все вопросы открытые. В каждом вопросе дано примечание к ответу и пример образца решения.

1. Вопрос 1 Формулировка: Опишите архитектуру составного (комбинированного) робота. Перечислите модули/слои, объясните их функции и как данные проходят между датчиками, обработкой и исполнительными устройствами. Какие принципы модульности вы применяете при проектировании?

Ожидаемые критерии оценки: перечисление ключевых модулей (сенсорный комплект, обработка данных, планирование задач, управление движением/исполнителями, безопасностные/diag- модули, связь), принципы модульности (чтобы каждый модуль имел чёткий интерфейс, независимость, повторное использование, тестируемость), базовый поток данных (датчики → обработка → планирование/управление → исполнение), обработка ошибок и обратная связь.

Пример решения/образец ответа:

• Модули: SensorManager (сбор и калибровка датчиков), Perception/WorldModel (радует объекты и карту окружения), Planner (планирование траекторий и последовательностей задач), Controller (преобразование траекторий в управляющие команды для приводов/манипулятора), ActuatorManager (управление моторами, сервоприводами и захватом), Safety/Diagnostics (объявляет аварийные состояния, безопасность), Comunicación Interface (передача данных между модулями и с внешними системами).
• Поток данных: датчики → SensorManager (калибровка, фильтрация) → Perception/WorldModel (обнаружение объектов, координаты) → Planner (генерация плана) → Controller (генерация команд) → ActuatorManager (исполнение команд). Обратная связь: сенсоры обновляют состояние среды, плани- рователь адаптирует план при изменениях; все модули имеют чёткие API.
• Принципы модульности: отделение функционала, ясные интерфейсы, возможность замены модуля без влияния на другие, тестируемость каждого компонента, журналирование и диагностика.

2. Вопрос 2 Формулировка: Напишите псевдокод для программы управления роботизированной рукой с одним захватом, задача: взять предмет по заданным координатам (x, y, z) и разместить его в целевой точке. Учитывайте последовательность действий и обработку ошибок.

Ожидаемые критерии оценки: наличие стадий/состояний, корректная последовательность действий (приближение, захват, захват, перенос, отпускание), обработка ошибок (неудачный захват, препятствия), использование функций/операторов для перемещения и захвата.

Пример решения/образец ответа (псевдокод):

• Состояния: INIT, APPROACH, GRIP, LIFT, TRANSPORT, RELEASE, RETREAT, ERROR.
• Псевдокод: initialize() target = (x, y, z) state = APPROACH while true: if state == APPROACH: moveTo(target.x, target.y, target.z) if distanceTo(target) < THRESHOLD: state = GRIP if state == GRIP: if setGripper(CLOSE) == SUCCESS: state = LIFT else: state = ERROR if state == LIFT: moveTo(target.x, target.y, target.z + LIFT_HEIGHT) state = TRANSPORT if state == TRANSPORT: moveTo(destinationX, destinationY, destinationZ) state = RELEASE if state == RELEASE: if setGripper(OPEN) == SUCCESS: state = RETREAT else: state = ERROR if state == RETREAT: moveTo(homeX, homeY, homeZ) break if state == ERROR: handleError() break

3. Вопрос 3 Формулировка: Опишите конечный автомат (finite state machine) для сценария: робот ищет предмет, захватывает его и переносит в указанную корзину. Перечислите состояния, входные события/условия переходов и действия в переходах.

Ожидаемые критерии оценки: корректная структура состояний, условия переходов, действия в переходах, учёт ошибок и повторов.

Пример решения/образец ответа:

• Состояния: Idle, Scan, Align, Grasp, CarryToBin, Release, ReturnToIdle, Error.
• Переходы:
  • Idle → Scan при запуске задачи.
  • Scan → Align когда найден объект.
  • Align → Grasp если объект выровнен по координатам.
  • Grasp → CarryToBin при успешном захвате.
  • CarryToBin → Release когда достигнут координаты корзины.
  • Release → ReturnToIdle после отпускания.
  • Любой trạngий → Error при обнаружении критической ошибки (обнаружено препятствие, сбой захвата).
• Действия в переходах: активировать датчики, поворот/выравнивание, команды захвата/освобождения, перемещение к пункту назначения, проверка статуса захвата.

4. Вопрос 4 Формулировка: Опишите подход к калибровке датчиков и фильтрации входящих данных, чтобы уменьшить шум и ошибки измерения. Приведите конкретные шаги и примеры формул или фильтров.

Ожидаемые критерии оценки: шаги калибровки (нулевые оффсеты, масштабирование), выбор фильтра (скользящее среднее, экспоненциальное затухание, фильтр Калмана на базовом уровне), примеры параметров.

Пример решения/образец ответа:

• Калибровка: снять нулевые значения (zero offset) для тензодатчиков/гироскопа; калибровка шкал (gain) при известных положениях; калибровка внешних углов.
• Фильтрация: применить скользящее среднее или экспоненциальное затухание y_t = alpha * y_{t-1} + (1 - alpha) * z_t, где z_t — измерение, alpha в диапазоне 0.1–0.3 для устоявшегося шума; для интегративных датчиков — простой фильтр с ограничением резких изменений (outlier rejection).
• Более продвинутый подход (описательно): базовый фильтр Калмана для датчиков положения/скорости, но здесь достаточно указать идею и параметры.

5. Вопрос 5 Формулировка: Опишите меры безопасности и обработку ошибок на каждом этапе управления комбинированным роботом. Что произойдёт при обнаружении препятствия, сбое сенсора или перегрузке по мощности?

Ожидаемые критерии оценки: перечисление сценариев аварийных состояний, способы предотвращения столкновений (мгновенная остановка, план повторной маршрутизации), обработка ошибок (логирование, сигнал тревоги, повторная попытка, безопасный режим).

Пример решения/образец ответа:

• Обнаружение препятствия: при обнаружении препятствия на расстоянии менее SafeDistance — немедленно выполнить мягкую остановку, остановить движение и пересчитать траекторию.
• Сбои сенсоров: переключиться на резервный сенсор, перейти в режим диагностики, уйти на безопасную высоту/позицию.
• Перегрузка по мощности: ограничить скорость и ускорение, перейти в экономичный режим, уведомить оператора.
• Общая практика: журналирование событий, таймауты, повторная инициализация модулей, тестовые сигналы и выход в безопасный режим при критических ошибках.

6. Вопрос 6 Формулировка: Опишите алгоритм планирования траектории между двумя точками с учётом ограничений по скорости и ускорению, а также наличием препятствий. Какие подходы можно использовать на практике?

Ожидаемые критерии оценки: выбор репрезентации окружения (грид/меш), основной алгоритм поиска пути (A*, D*, RRT и т.д.), учёт динамических ограничений (скорость/ускорение), переход от пути к траектории и плавность движения.

Пример решения/образец ответа:

• Репрезентация: карта среды в виде сетки (grid map) или графа.
• Поиск пути: A* или D* lite на статической карте; для динамических сцен можно использовать RRT-Connect или PRM как базу, затем локальная оптимизация.
• Ограничения: задаём максимальную скорость v_max и максимальное изменение скорости (ускорение) a_max; после нахождения геометрического пути генерируем траекторию с плавным ростом скорости (трапецеидальная/квази-жесткая профильная кривая).
• Итог: путь/траектория подается контроллеру с учётом датчиков для корректировок в реальном времени.

7. Вопрос 7 Формулировка: Как вы будете тестировать такую систему? Опишите типы тестов, какие задачи они решают и примеры конкретных тест-кейсов.

Ожидаемые критерии оценки: перечисление видов тестирования (юнит-тесты, интеграционные тесты, симуляционные тесты, приемочные тесты), примеры тест-кейсов, метрики успеха (время выполнения, точность захвата, энергия).

Пример решения/образец ответа:

• Юнит-тесты: проверка отдельных модулей, например, корректность вычисления траектории, корректность фильтрации сигналов.
• Интеграционные тесты: совместная работа Planner + Controller + ActuatorManager; тестирование захвата и переноса в условиях статической среды.
• Симуляционные тесты: использование симулятора для моделирования препятствий и сенсорного шума; тест пути от точки A до B.
• Приемочные тесты: задача "на поле" с реальным роботом в ограниченной зоне, требующая выполнения задачи в заданном времени и с определённой точностью.
• Метрики: успешная реализация задачи (зарезервировано), время на выполнение, точность маршрута, энергопотребление, количество неудачных захватов.

8. Вопрос 8 Формулировка: Опишите принципы модульного проектирования и как разделить систему на модули с ясными интерфейсами. Приведите примеры API для трёх модулей.

Ожидаемые критерии оценки: выбор архитектурных слоёв, структура модулей, интерфейсы/API, принципы версионирования и совместимости.

Пример решения/образец ответа:

• Основные модули: SensorAPI, ActuatorAPI, PlannerAPI, ControllerAPI, WorldModelAPI, DiagnosticsAPI.
• Примеры API:
  • SensorAPI: getLatestReadings(), calibrateSensors(), subscribe(eventType)
  • ActuatorAPI: setMotorSpeeds(left,right), setGripper(state), getActuatorStatus()
  • PlannerAPI: planPath(start, goal, map), getNextWaypoint(), recomputeIfObstructed()
  • ControllerAPI: computeControlCommands(path, currentState), applyControlCommands(commands)
  • WorldModelAPI: updateMap(sensorData), getObjectPosition(objectId), setSafetyBoundaries()
• Принципы: чётко определённые интерфейсы, независимость модулей, тестируемость, версионирование API, обработка исключений.

9. Вопрос 9 Формулировка: Опишите подход к экономии энергии и рациональной работе роботизированной системы. Какие техники и решения вы бы применили?

Ожидаемые критерии оценки: идеи по энергосбережению (гибкая скорость, режимы ожидания, выбор более «экономичных» путей), управление питанием, планирование задач с учётом потребления.

Пример решения/образец ответа:

• Режимы работы: переход в экономичный режим ожидания, когда робот простаивает; отключение неиспользуемых модулей.
• Энергопотребление траекторий: выбор траекторий с меньшим суммарным запасом пути и меньшей скоростью, в пределах требований задачи; использование плавного старта/замедления для снижения пик потребления.
• Управление питанием: мониторинг заряда батареи, планирование задач так, чтобы не допускать полного разряда; возмещение энергии при торможении (регenerative braking, если есть).
• Эффективная кодовая реализация: минимизация частоты обновления датчиков, если не требуется высокая частота; батчинг задач.

10. Вопрос 10 Практическое задание (практическая мысль): Напишите псевдокод для сценария: робот состоит из базы (движущаяся платформа) и манипулятора. Задача: подойти к предмету в зоне A, взять его и перенести в зону B. Учитывайте последовательность действий, возможные ошибки и возвраты.

Ожидаемые критерии оценки: корректная последовательность действий, обработка ошибок, учёт координат зон A и B, взаимодействие базовой платформы и манипулятора, безопасный возврат.

Пример решения/образец ответа (псевдокод):

• Состояния: INIT, MOVE_TO_A, ALIGN_WITH_OBJECT, GRAB, LIFT, MOVE_TO_B, RELEASE, RETURN_HOME, DONE, ERROR.
• Псевдокод: initializeSystem() state = MOVE_TO_A while true: if state == MOVE_TO_A: planAndMoveTo(zoneA) if atZone(zoneA): state = ALIGN_WITH_OBJECT if state == ALIGN_WITH_OBJECT: alignWithObject(objectInZoneA) if aligned(): state = GRAB if state == GRAB: if gripperClose() == SUCCESS: state = LIFT else: state = ERROR if state == LIFT: liftToSafeHeight() state = MOVE_TO_B if state == MOVE_TO_B: planAndMoveTo(zoneB) if atZone(zoneB): state = RELEASE if state == RELEASE: if gripperOpen() == SUCCESS: state = RETURN_HOME else: state = ERROR if state == RETURN_HOME: planAndMoveTo(home) if atHome(): state = DONE if state == ERROR: handleError() break

Дополнительные заметки

• Все вопросы рассчитаны на открытое объяснение и проектирование, пригодные для экзамена по программированию на тему робототехники и составления программ для комбинированных роботов.
• Если нужно, могу адаптировать вопросы под конкретный учебный стандарт, уровень сложности или язык программирования (например, псевдокод, Python-подобный синтаксис, или блок-схемы).