УДК 004.514

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА ДЛЯ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ПО ОБУЧЕНИЮ РОБОТОТЕХНИКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНТРОЛЛЕРА «AMPERKA ISKRA JS»

Первоисточник: Сидорика М. Д., Радевич Е. В. Проектирование интерфейса для программного модуля по обучению робототехнике с применением контроллера «Amperka Iskra JS» // Информатика, управляющие системы, математическое и компьютерное моделирование (ИУСМКМ-2024): сб. материалов XV Междунар. науч.-техн. конф. в рамках X Междунар. науч. форума ДНР. – Донецк: ДонНТУ, 2024. – URL: https://drive.google.com/file/d/13t09rz5Bodvg5MQAkDqB3L2_FTsmUTYg/edit .

Сидорика М.Д. Радевич Е.В.
Донецкий национальный технический университет
кафедра прикладной математики и искусственного интеллекта
E-mail: sidorika.maks@gmail.com

Общая постановка проблемы

Развитие современных технологий и повышенный интерес к робототехнике предъявляют новые требования к образовательному процессу в этой области. Несмотря на значительный прогресс в разработке робототехнических систем, существующие программные решения для обучения робототехнике часто являются ограниченными в функциональности и доступности.

Проблема заключается в том, что многие существующие образовательные программы по робототехнике требуют значительных временных и финансовых затрат на приобретение дорогостоящего оборудования и специализированных средств разработки. Это создает барьеры для широкого распространения обучения робототехнике и ограничивает доступ к этой области знаний.

Цель настоящей работы состоит в разработке программного модуля по обучению робототехнике с использованием контроллера «Amperka Iskra JS», который позволит студентам и любителям робототехники получить доступ к современной среде разработки и обучения без необходимости приобретения дорогостоящего оборудования. Разработанный программный модуль должен предоставлять возможность проведения теоритических занятий, выполнения экспериментов и изучения основных принципов робототехники в удобной и доступной форме.

Основные принципы робототехники и ее актуальность

Робототехника в современном мире становится все более важной из-за следующих причин:

• применение в промышленности для монотонных и опасных операций, повышая производительность и безопасность;
• роботы обладают аналитическими и обучающими способностями, что позволяет им эффективно взаимодействовать с окружающей средой и людьми;
• использование в медицине для хирургических операций, реабилитации и помощи людям с ограниченными возможностями;
• автономность роботов в областях, таких как автономное вождение и исследование космоса;
• снижение затрат на рабочую силу и повышение производственной эффективности, способствующие экономическому росту;
• экологическая устойчивость производства через более эффективное использование ресурсов и снижение отходов;
• доступ к новым технологиям и инновациям в различных сферах жизни;
• стимулирование научных исследований и разработок в области искусственного интеллекта, мехатроники и материаловедения.^[1]

Обзор существующих инструментов для обучения робототехнике

Существуют различные программные модули и инструменты, которые предназначены для обучения робототехнике на различных уровнях сложности.

• LEGO Mindstorms – это популярная платформа для обучения робототехнике, основанная на конструкторе LEGO и программном обеспечении, которое позволяет создавать и программировать различных роботов.
• Arduino – представляет собой открытую платформу для создания интерактивных проектов, включая робототехнику. С его помощью можно создавать и программировать различные устройства, включая роботов.
• Raspberry Pi – это еще одна популярная платформа для создания роботов и других устройств. Она обладает большой вычислительной мощностью и широким спектром возможностей.
• VEX Robotics – это платформа для обучения робототехнике, которая включает в себя различные компоненты и датчики, а также программное обеспечение для программирования и управления роботами.
• Scratch – это визуальный язык программирования, который широко используется для обучения детей основам программирования и робототехнике.

Характеристики и возможности контроллера «Amperka Iskra JS»

Контроллер «Amperka Iskra JS» представляет собой флагманскую плату, разработанную компанией Амперка для широкого спектра электронных проектов.

Оснащенный интерпретатором JavaScript и обладающий мощными вычислительными возможностями, Iskra JS представляет собой оптимальное решение для проектов, где важны скорость разработки, максимальная совместимость с периферией и высокая производительность. Iskra JS использует язык программирования JavaScript, что обеспечивает удобство и гибкость в разработке.

С микроконтроллером STM32F405RG, работающим на частоте 168 МГц, и обладая 1 МБ флеш-памяти и 192 КБ оперативной памяти, Iskra JS способен эффективно обрабатывать JavaScript-код и выполнять различные задачи, включая управление роботами, системами умного дома и промышленной автоматикой.

С совместимыми с Arduino контактными колодками и логическим напряжением 3,3 вольта Iskra JS обеспечивает широкую совместимость с Arduino-периферией и позволяет легко использовать различные платы расширения.

Iskra JS предоставляет разнообразные порты ввода-вывода для взаимодействия с различными устройствами, включая аналоговые и цифровые сигналы, а также последовательные порты и шины SPI и I²C для подключения дисплеев, гироскопов, акселерометров и других модулей.

Питание Iskra JS можно осуществлять через различные источники, включая порт micro-USB, контакт Vin или внешний разъем.

Для прошивки и взаимодействия с компьютером Iskra JS использует кабель micro-USB, обеспечивая простоту и удобство в использовании. Возможность программирования платформы как HID-устройства расширяет ее функциональность.^[2]

Анализ требований пользователей к пользовательскому интерфейсу

Для эффективного проектирования пользовательского интерфейса для программного модуля по обучению робототехнике с применением контроллера «Amperka Iskra JS» необходимо провести анализ требований потенциальных пользователей. Вот некоторые из возможных требований, которые могут быть выявлены:

1. Простота использования. Пользователи, вероятно, заинтересованы в удобном и интуитивно понятном интерфейсе, который позволит им легко понять основные принципы программирования и управления роботами.
2. Наглядность и доступность. Интерфейс должен быть наглядным и доступным даже для начинающих пользователей. Графические элементы, инструкции и подсказки могут быть использованы для облегчения процесса обучения.
3. Обратная связь и отладка. Интерфейс должен предоставлять информацию о текущем состоянии системы, возможные ошибки и способы их устранения, чтобы пользователи могли эффективно отлаживать свои программы.
4. Интеграция с обучающим контентом. Интерфейс может предоставлять доступ к обучающим материалам, урокам и примерам программирования, чтобы пользователи могли быстро и эффективно осваивать новые навыки.
5. Поддержка различных устройств. Интерфейс должен быть адаптирован для работы на различных устройствах чтобы пользователи могли использовать его в любое время и в любом месте.^[3]

Проектирование пользовательского интерфейса

Для разработки пользовательского интерфейса программного модуля по обучению робототехнике с использованием контроллера Amperka Iskra JS было принято решение использовать технологию Windows Forms и язык программирования C#.

Преимущества Windows Forms:

• предоставляет простой и удобный способ создания графического интерфейса в среде разработки Visual Studio. Интеграция с Visual Studio позволяет использовать множество инструментов для разработки, отладки и тестирования приложений;
• предоставляет широкий набор предварительно разработанных элементов управления, что позволяет быстро создавать интерфейс с минимальными затратами времени и усилий;
• предоставляет простой и интуитивно понятный подход к созданию интерфейса. Разработчики могут легко настраивать внешний вид и поведение элементов интерфейса с помощью свойств и событий.

Преимущества языка программирования C#:

• язык программирования C# тесно интегрируется с Windows Forms, обеспечивая простоту и эффективность написания кода для управления элементами интерфейса и обработки событий;
• C# обладает богатым набором библиотек и инструментов для работы с графическим интерфейсом, что позволяет реализовать разнообразные функциональные возможности и обеспечить высокую производительность приложения;
• C# работает на платформе .NET Framework, что обеспечивает высокую степень совместимости с другими технологиями и библиотеками, а также упрощает разработку и сопровождение приложений.

Выбор технологии Windows Forms и языка программирования C# был обусловлен их простотой использования, интеграцией со средой разработки Visual Studio, а также широкими возможностями для быстрой и эффективной разработки графического интерфейса приложения.

Цели, которые должен решать пользовательский интерфейс:

• обеспечение простоты и удобства использования приложения для обучения робототехнике;
• предоставление широкого набора функций для обучения управлению робототехническими устройствами;
• обеспечение интерактивности и обратной связи с пользователем в процессе работы приложения;
• создание гибкого и расширяемого интерфейса, способного адаптироваться к различным потребностям пользователей;
• разработка строгого дизайна интерфейса, лёгкого для восприятия и не перегруженного лишними деталями.

Так как приложение состоит из нескольких окон в интерфейсе проектируется структура окон и их взаимосвязь. В приложении присутствуют следующие окна:

• окно авторизации;
• окно регистрации;
• главное меню;
• профиль пользователя;
• редактор профиля;
• IDE;
• учебный модуль;
• окно урока;
• тестовые задания.

Структура окон приложения представлена на рисунке 1.

Основная цель при выборе стиля и дизайна интерфейса была обеспечить максимальную простоту и удобство использования для пользователей всех уровней. Для этого были приняты следующие решения:

1. Интерфейс выполнен в минималистичном стиле, чтобы не отвлекать пользователей от основной задачи – обучения робототехнике. Отсутствие излишних деталей и сложных анимаций делает интерфейс интуитивно понятным для всех пользователей.
2. Использование шрифта Comic Sans MS и светлого фона (WhiteSmoke) придает интерфейсу дружелюбный и приятный внешний вид. Этот выбор также учитывает возможных пользователей всех возрастных категорий, включая начинающих и молодых учащихся.
3. Размещение элементов управления на форме было продумано с учетом логики пользовательского взаимодействия.
4. Выбор цветовой палитры, в том числе фона и текста, был сделан с учетом нейтральности и универсальности. Это позволяет пользователям сосредотачиваться на содержании и функциональности интерфейса, минуя внешние отвлекающие факторы.

Таким образом, выбор стиля и дизайна интерфейса основывается на стремлении к простоте, удобству и универсальности использования. Пример внешнего вида интерфейса представлен на рисунках 2–3.

Интеграция пользовательского интерфейса с IDE Espruino производилась путем встраивания окна IDE в главное окно приложения. Для этого были предприняты следующие шаги:

1. В методе InitializeIDE() происходит запуск процесса IDE Espruino с помощью класса Process. Путь к исполняемому файлу IDE определяется с помощью метода System.IO.Path.GetFullPath(). После запуска процесса приложение ждет 1 секунду (Thread.Sleep(1000)) для того, чтобы приложение IDE успело инициализироваться.
2. После запуска процесса IDE происходит поиск его окна с помощью функции FindWindow(), указывая имя окна «Espruino Web IDE». Затем с помощью функции SetParent() окно IDE встраивается в главное окно приложения.
3. Размеры встроенного окна IDE устанавливаются такими же, как у главного окна приложения. Это осуществляется с помощью вызова функции SetWindowPos() с параметрами для изменения размера окна IDE.

Таким образом, приложение обеспечивает взаимодействие между пользовательским интерфейсом и контроллером Amperka Iskra JS путем встраивания окна IDE Espruino и предоставляет пользователю возможность управлять контроллером и программировать его через IDE без необходимости переключения между различными приложениями.

Внешний вид окна «IDE» представлен на рисунке 4.

Выводы

В ходе разработки программного модуля по обучению робототехнике с применением контроллера «Amperka Iskra JS» был спроектирован и разработан пользовательский интерфейс, соответствующий современным требованиям эффективного и удобного обучения. Проектирование интерфейса включало в себя анализ основных принципов робототехники, оценку требований пользователей и учет специфики контроллера.

Минималистичный и интуитивно понятный дизайн интерфейса, а также использование шрифта Comic Sans MS и светлого фона, делают процесс обучения доступным и приятным для пользователей всех возрастных категорий. Размещение элементов управления было продумано с учетом логики пользовательского взаимодействия, что способствует удобству использования.

Выбор стиля и дизайна интерфейса основан на стремлении к простоте, удобству и универсальности использования. Такой подход позволяет пользователям сосредоточиться на основной задаче обучения робототехнике, минуя внешние отвлекающие факторы.

В результате, разработанный пользовательский интерфейс обеспечивает эффективное и приятное обучение робототехнике с использованием контроллера «Amperka Iskra JS», открывая доступ к современным технологиям и инновациям в этой области.