Будущее на земле и под водой

От фантастики к реальности: разработки ТПУ на форуме U-NOVUS

12–13 МАЯ В ТОМСКЕ ПРОЙДЕТ III ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ U-NOVUS, СОЗДАННЫЙ С ЦЕЛЬЮ ПОДДЕРЖКИ И РАЗВИТИЯ ТОМСКОЙ И РОССИЙСКОЙ НАУКИ В ЦЕЛОМ. ТПУ ПО ТРАДИЦИИ ВНОВЬ СТАЛ ОПЕРАТОРОМ ФОРУМА. U-NOVUS-2016 ПОСВЯЩЕН РОБОТОТЕХНИКЕ И ЕЕ РАЗВИТИЮ В НАШЕЙ СТРАНЕ. ТЕМЕ РОБОТОТЕХНИКИ БУДЕТ ПОСВЯЩЕНО БОЛЕЕ 30 МЕРОПРИЯТИЙ ФОРУМА. СРЕДИ НИХ — ВЫСТАВКА ИННОВАЦИОННЫХ РАЗРАБОТОК В СФЕРЕ РОБОТОТЕХНИКИ И ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС РАЗРАБОТОК МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ В ОБЛАСТИ РОБОТОТЕХНИКИ, ГДЕ УЧЕНЫЕ ТОМСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ПРЕДСТАВЯТ СВОИ ИННОВАЦИИ.

В течение двух дней форума U-NOVUS на его основной площадке, в спортивном комплексе «Гармония» (ул. Высоцкого, 7, стр. 6), будет работать выставка инновационных разработок в сфере робототехники, на которой передовые научно-технические и технологические достижения в сфере робототехники представят российские производители.

Гостями выставки станут представители крупного и среднего бизнеса, госкорпораций, институтов развития, разработчики и производители. Направления выставки: информационные исследования и системные робототехнические проекты, физико-технические, химико-биологические и медицинские исследования.

На главной выставке форума U-NOVUS политехники представят ряд разработок вуза.

Технологии исследования морских глубин

В рамках мегапроекта ТПУ и Института проблем морских технологий (ИПМТ) Дальневосточного отделения РАН — «Телекоммуникационные системы мониторинга и управления для автономных подводных роботов» — ученые вуза создают аппаратно-программные решения для нового поколения автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА).

На выставке форума U-NOVUS политехники представят ряд технических решений для подводных роботов, в числе которых бортовые вычислительные комплексы для управления глубоководными аппаратами, приборы для контроля окружающей морской среды, средства технического зрения. Эти решения имеют большое практическое значение, поскольку расширяют горизонты возможностей разведки полезных ископаемых в акваториях морей и океанов и способствуют развитию технологий освоения арктического шельфа. В частности, применение разработанных в ТПУ коммуникационных устройств и технологий передачи данных позволит наладить непрерывный процесс «общения» между подводным роботом, надводными судами и центрами управления, расположенными на берегу. При этом наземная инфраструктура будет получать от интеллектуального бортового исследовательского комплекса АНПА оперативную информацию о местоположении и глубине погружения робота, давлении, температуре и химическом составе морской среды, а также о присутствии в воде растворенных углеводородов.

Кроме этого, учеными ТПУ и ИПМТ ДВО РАН планируется решение амбициозной задачи увеличения предельной глубины погружения АНПА в два раза. Стоит отметить, что в настоящее время наибольшая глубина погружения составляет 6 км. Увеличение этой планки до 12 км позволит осуществлять погружение подводных роботов в самую труднодоступную точку Мирового океана — Марианскую впадину.

Виртуальный тест-драйв для электро-энергетических систем

Электроэнергетическая система (ЭЭС) во многом похожа на живой организм. Внутри нее происходят многочисленные и непрерывно связанные друг с другом процессы — генерации, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Изменения в одном неизбежно и непредсказуемо повлияют на многие другие. Поэтому в работающей ЭЭС не допускаются никакие натурные эксперименты, в особенности те, при которых нужно создать аварийную ситуацию. Но как же в таком случае проверить новое оборудование в действии, проводить ремонт, модернизацию станций? Как понять, приведет ли какое-то ваше действие к аварии или другим нежелательным ситуациям?

Для решения этой проблемы ученые Энергетического института ТПУ разработали «Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем».

— С его помощью мы создаем математическую модель энергосистемы, воссоздающую свойства настоящей, и проводим все необходимые исследования. Так, нам не нужно подвергать реальную электроэнергетическую систему ненужным рискам, — рассказывает Михаил Андреев, доцент кафедры электроэнергетических систем ТПУ. Разработки похожего назначения, по его словам, сегодня имеются. Математическое моделирование — единственный способ безопасного исследования ЭЭС. Однако методы расчета у аналогов имеют ограничения в размерах ЭЭС и времени моделирования. Отсюда возникают большие и неконтролируемые погрешности. Комплекс политехников сводит такой риск методической погрешности к минимуму. В его основе лежат собственные запатентованные технологии ТПУ. Система покажет, как ЭЭС поведет себя в реальной ситуации, если ее оснастить тем или иным оборудованием, увеличить или уменьшить мощности и т. д. С ее помощью можно спланировать ремонт, модернизацию оборудования, а также исследовать методы повышения энергоэффективности ЭЭС. Также с помощью комплекса можно будет проводить анализ работы оборудования и энергосистем, тестировать противоаварийную автоматику, тренировать и обучать диспетчерский и оперативный персонал ЭЭС и — в перспективе — получать консультации благодаря специальной системе-советчику, которую сейчас разрабатывают ученые. Система будет взаимодействовать с оперативно-информационным комплексом энергосистемы, напрямую получая данные по электрическим параметрам ЭЭС.

200 тысяч за изобретение

Пять проектов ТПУ вышли в финал Всероссийского конкурса разработок молодых ученых в области робототехники. Авторы лучших проектов будут награждены денежными сертификатами и дипломами. За первое место — премия в размере 200 тысяч рублей, за второе — 150 тысяч рублей, за третье место — 100 тысяч рублей.

Конкурс проходит в два этапа. На первом принимались электронные заявки от участников, оценивались и выбирались лучшие разработки. Второй этап состоится 12–13 мая на выставке инновационных проектов в области робототехники на форуме U-NOVUS. Финалисты представят презентации своих разработок перед экспертной комиссией форума, которая и определит победителей конкурса. Критерии оценки — научная новизна, внедрение результатов, конкурентоспособность на мировом уровне, программное обеспечение для управления роботом. Соперниками молодых разработчиков ТПУ станут ученые из 7 регионов России — 24 молодых ученых из Благовещенска, Омска, Самары, Новосибирска, Хакасии, Коврова и Томска.

«Регулировщик» робомагистралей

В популярном детском мультфильме «ВАЛЛ-И» роботы, работающие на космической станции, передвигаются внутри нее, как автомобили: едут в строгом порядке, соблюдая ПДД, останавливаются на светофорах, пропуская других участников движения. Каждый из них движется по строго заданной траектории.

Автоматическую систему, которая позволит в будущем воплотить эту идею в жизнь, разрабатывают магистранты Института кибернетики ТПУ. Управлять движением большого количества роботов с операторского пульта сможет один человек. Система самостоятельно определит местоположение роботов и проложит наиболее оптимальный маршрут для их передвижения.

Разработанная политехниками «Система определения местоположения объектов внутри помещений» окажется полезна при использовании мобильных роботов, например, на больших складах. Роботы, как грузчики, смогут забирать товар и осуществлять его транспортировку между складскими помещениями, к грузовым машинам и так далее.

— Сегодня в мире существуют коммерческие системы такого плана. Очень яркий пример — крупнейший в мире интернет-магазин Amazon. Мы же намерены создать общедоступную систему для российского рынка, чтобы ее могли использовать отечественные компании, — отмечает руководитель проекта, магистрант кафедры интегрированных компьютерных систем управления ТПУ Александр Пантюхин. Система политехников универсальна. С ее помощью можно будет следить и за перемещением в помещениях людей, чего не могут делать системы GPS-навигации. Разработка позволит повысить безопасность в детских садах — ребенок со специальным браслетом не сможет покинуть территорию учреждения незамеченным. Также система сможет осуществлять контроль покупателей в торговых залах супермаркетов, отслеживать перемещение оборудования внутри больниц и т. д.

На свою разработку магистранты ТПУ выиграли грант программы «УМНИК» и планируют коммерциализовать ее через 3-5 лет. На конкурсе форума U-NOVUS разработка политехников будет представлена в номинации «Промышленные и бытовые роботы».

Карманный тест на мельдоний

Аспирант Института природных ресурсов ТПУ Ольга Мезенцева разрабатывает портативный и недорогой электрохимический анализатор для определения содержания мельдония в организме спортсменов, а также в составе БАДов. Разработка будет представлена на конкурсе форума U-NOVUS в номинации «Робототехнические комплексы медицинского назначения».

Отечественный метод электрохимического анализа будет в разы дешевле дорогостоящих импортных аналогов. — Самый популярный способ определения мельдония в крови спортсмена — газовая хромотография с масс-спектрометрическим детектированием. Этот метод подразумевает использование редких и дорогих реактивов, процесс подготовки самих проб для анализа тоже довольно-таки дорогой. Наши реактивы доступны, поэтому и стоят недорого. Электроды, которые мы используем в аппарате, стандартные и подходят к большинству вольтамперометрических приборов, — рассказывает Ольга Мезенцева.

В приборе использованы нетоксичные материалы электродов, что обеспечивает безопасность при его эксплуатации. Он удобен в работе, так как обладает интуитивным интерфейсом, а главное — компактен и не требует при использовании дополнительного программного обеспечения.

— Аналогичные приборы требуют последующей обработки полученных результатов. Требуется компьютер, на котором должно быть установлено специальное программное обеспечение. Наш прибор проводит все анализы и выдает результат на дисплее. Его интерфейс прост, понятен в использовании. Все эти возможности также уменьшают стоимость анализа, — уточняет аспирант ТПУ. В дальнейшем, по ее словам, прибор можно будет применять и для проверки спортсменов на другие допинговые препараты. Для этого потребуется лишь заменить электроды внутри устройства.

Робот-учитель в помощь современному педагогу

Молодые ученые Томского политеха создали робота-учителя, который станет незаменимым помощником для настоящих учителей в образовательном процессе. С помощью мобиробота школьники смогут получать теоретические и практические знания по математике, физике, химии и информатике. Робот в разы дешевле существующих аналогов — его «мозгами» служит мобильный телефон. Для того чтобы робот выполнял ту или иную функцию, современные разработчики покупают или пишут для него отдельную программу, приложение. Между тем, отмечают разработчики мобиробота, производители современных мобильных устройств уже создали гаджеты с вычислительной мощью, превосходящей многие существующие платформы для роботов. На смартфон можно установить любое приложение для управления роботом. Таким образом, существенно сокращаются расходы времени и ресурсов на разработку новых программ. Благодаря мобильной платформе робот-учитель будет многофункциональным, а система его уникальных датчиков позволит школьникам на практике познакомиться с законами оптики, лазерной физики, механики, термодинамики и ряда других разделов физики. Настоящий учитель сможет «синхронизироваться» с электронным и задать ему тему урока. Мобиробот сначала даст своим ученикам «теорию», а затем проведет с ними онлайн-тестирование и предметную практику.

Управлять роботом можно самыми разными способами — подключить смартфон, компьютер или планшет с помощью USB, Bluetooth, Wi-Fi, Интернета.

Разработку робота-учителя осуществляет ООО «НТП Семантика», малое инновационное предприятие (МИП) ТПУ. На реализацию своей разработки молодые ученые получили грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Прототип мобиробота молодые ученые представят на форуме U-NOVUS в номинации «Промышленные и бытовые роботы».

Роборука для реабилитации после инсульта

Молодые ученые ТПУ разработали роботизированную руку, способную повторять любые движения человека. Она поможет восстанавливать мышцы после инсульта, операции или травмы. Устройство состоит из двух частей: «напечатанная» на 3D-принтере рука и перчатка с присоединенными к ней сенсорами. Манипулятор повторяет малейшие движения человеческой руки, на которую надета перчатка. Разработка молодых ученых ТПУ будет представлена на конкурсе форума U-NOVUS в номинации «Робототехнические комплексы медицинского назначения». Подробнее о ней читайте на стр. 15.

Робот-картограф для нефтяных трубопроводов

Аспирант Института кибернетики ТПУ Роман Мейта работает над созданием автономной робототехнической платформы, способной определять свое местоположение в пространстве и вести автоматическое картографирование местности. Свою разработку политехник представит на конкурсе молодых ученых форума U-NOVUS в номинации «Промышленные и бытовые роботы».

Робот исполнен в виде автономной колесной платформы с набором ультразвуковых датчиков. Его можно будет применять для построения карт промышленных трубопроводов (иногда первичные данные не точные, либо трубопроводы со временем достраиваются, передвигаются, смещаются), а также для диагностики их проходимости.

Размеры робота невелики — 20?20 см?. Для измерения расстояний он оснащен специальными датчиками-сонарами, ультразвуковыми датчиками для измерения расстояния.

— Также платформу можно использовать для построения карт гражданских и промышленных объектов. Один из недостатков системы GPS-навигации заключается в том, что внутри зданий она не работает. Между тем иногда требуется уточнить схему помещений либо произвести разведку в недоступных человеку частях инфраструктуры здания, либо в помещениях после взрыва, обвала, землетрясения, чтобы спасатели могли проверить доступность прохода внутри них, — говорит Роман Мейта.

Подготовила Виталина Михетко