Роботтық құрылғыларда машиналық оқыту мәселелерін шешуге арналған сандық құралдар: AIfES (Arduino кітапханасы)

Нұрдинова Г.Н.

Роботтық құрылғыларда машиналық оқыту мәселелерін шешуге арналған сандық құралдар: AIfES (Arduino кітапханасы)

Микроконтроллерлер негізіндегі роботтық жүйелерде жасанды интеллект элементтерін енгізудің тиімді құралы ретінде AIfES (Artificial Intelligence for Embedded Systems) кітапханасын ғылыми-тәжірибелік тұрғыда талдау. Сонымен қатар, AIfES кітапханасының мүмкіндіктерін сипаттап, оның көмегімен роботтық құрылғыларда машиналық оқытуды (machine learning) жүзеге асыру жолдарын ұсыну көзделеді.

Мақаланың мақсаты – микроконтроллер негізіндегі роботтық құрылғыларда жасанды интеллект элементтерін енгізуге арналған AIfES (Artificial Intelligence for Embedded Systems) кітапханасының мүмкіндіктерін зерделеу, машиналық оқыту әдістерін төмен қуатты құрылғыларда қолданудың тиімді жолдарын көрсету және білім беру процесінде Arduino платформасында AIfES арқылы практикалық дағдыларды дамыту бағыттарын ұсыну.

Өзектілігі

Қазіргі таңда робототехника мен автоматтандыру жүйелері қоғамның әртүрлі салаларында кеңінен қолданылуда: өндіріс, ауыл шаруашылығы, көлік, білім беру, медицина және т.б. Мұндай жүйелердің тиімділігін арттыру үшін оларға адаптивтілік, өзіндік үйрену және ортаға бейімделу қасиеттері қажет. Бұл міндеттерді шешу машиналық оқыту әдістерін енгізу арқылы ғана мүмкін болады.

Дегенмен, машиналық оқытудың классикалық алгоритмдері негізінен қуатты ресурстарды қажет ететін жүйелерде (мысалы, серверлерде, бұлтты есептеулерде) орындалады. Ал төмен қуатты микроконтроллерлерде, яғни Arduino секілді платформаларда, бұл алгоритмдерді іске асыру күрделі мәселе болып келеді.

Осыған орай, AIfES кітапханасы – ресурсы шектеулі ендірілген жүйелерге арналған машиналық оқытуды жеңіл әрі тиімді түрде жүзеге асыруға арналған шешім. Ол C тілінде жазылған және Arduino экожүйесінде қолдануға толық бейімделген. Сондықтан бұл құрал мектеп және жоғары оқу орындарындағы білім беру процесінде де, тәжірибелік зерттеулерде де кеңінен қолдануға өте ыңғайлы.

Цифрлық трансформация кезеңінде интеллектуалды құрылғылар мен роботтардың кең қолданылуы адам өмірінің барлық саласына әсер етуде. Соған сәйкес, микроконтроллер негізінде жұмыс істейтін роботтық құрылғыларды «ақылды» ету қажеттілігі туындайды. Бұл міндетті шешудің бір жолы – машиналық оқытуды (Machine Learning, ML) енгізу. Дегенмен, дәстүрлі ML алгоритмдері ресурсы шектеулі ендірілген жүйелерде қолдануға тиімсіз.

AIfES – бұл мәселенің шешімі. Бұл C тілінде жазылған және Arduino сияқты танымал платформада жұмыс істеуге бейімделген кітапхана, ол нейрондық желілердің құрылуын, оқытылуын және орындалуын микроконтроллердің өзінде жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Осылайша, ресурсы аз құрылғыларда автономды үйрену процесі жүзеге асады. Бұл құрал әсіресе білім беру ұйымдарында, мектеп және жоғары оқу орындарындағы робототехниканы оқытуда өте маңызды рөл атқарады.

Зерттеудің ғылыми жаңалығы

Мақалада қарастырылатын негізгі жаңалықтар:

• AIfES кітапханасын роботтық құрылғыларға бейімдеп, машиналық оқытуды енгізу мәселесіне жүйелі түрде талдау жасалады;

• Нақты қолдану мысалдары арқылы AIfES-тің нейрондық желілерді Arduino платформасында оқыту және қолдану мүмкіндіктері сипатталады;

• Arduino-мен біріктірілген жеңіл салмақты ИИ алгоритмдерінің құрылымы мен жұмыс принципі алғаш рет отандық ғылыми-кәсіби контексте талданады;

• Сандық құралдың білім беру саласындағы мүмкіндіктері мен болашағы ұсынылады.

• AIfES кітапханасының архитектурасы мен ішкі құрылымы алғаш рет қазақ тіліндегі ғылыми контексте жүйелі түрде талданады;

• Машиналық оқытуды төмен қуатты құрылғыларға бейімдеудің нақты шешімі ретінде AIfES қолдану жолдары көрсетіледі;

• Arduino платформасы негізінде нейрондық желі арқылы басқарылатын роботтық жүйе құру мысалы ұсынылады;

• Білім беру саласында AIfES-тің қолданылу мүмкіндіктері мен келешегі айқындалады.

Зерттеу тапсырмалары

Зерттеу жұмысы барысында келесі міндеттер шешіледі:

1. AIfES кітапханасының архитектурасын және функционалдық мүмкіндіктерін сипаттау;

2. Arduino платформасында машиналық оқытуға арналған практикалық шешімдердің құрылымын талдау;

3. AIfES арқылы қарапайым нейрондық желі құрып, роботтық құрылғыда оны қолдану сценарийін жасау;

4. Роботтық құрылғылардың адаптивтілігін арттыруға бағытталған нақты мысал келтіру (мысалы, жарық бағытына қарай қозғалатын робот, дауыс арқылы әрекет ететін жүйе және т.б.);

5. AIfES-ті білім беру үдерісінде (информатика, физика, робототехника сабақтарында) қолданудың тиімді жолдарын ұсыну.

6. AIfES кітапханасының негізгі мүмкіндіктерін, жұмыс принципін және қолдану тәсілдерін зерделеу;

7. Arduino платформасында машиналық оқытуды іске асырудың алгоритмін жасау;

8. Роботтық құрылғыда AIfES арқылы оқытылған нейрондық желіні іске қосу;

9. Білім беру жүйесіне арналған практикалық жобалар үлгісін әзірлеу;

10. Роботтық құрылғыларда машиналық оқытуды енгізудің шектеулері мен артықшылықтарын салыстырмалы түрде талдау.

Зерттеу нысаны

Зерттеудің нысаны – микроконтроллерлермен басқарылатын роботтық құрылғыларда машиналық оқытуды іске асыру.

Зерттеу пәні

Зерттеу пәні – AIfES кітапханасының көмегімен роботтық құрылғыларда машиналық оқыту алгоритмдерін қолдану және іске асыру жолдары.

Күтілетін нәтижелер

Зерттеу нәтижесінде төмендегідей ғылыми және практикалық жетістіктерге қол жеткізу жоспарланып отыр:

• AIfES кітапханасының құрылымы мен қолдану ерекшеліктері жан-жақты сипатталады;

• Arduino негізіндегі роботқа нейрондық желі енгізудің нақты алгоритмі ұсынылады;

• Arduino-пен жұмыс істеуші оқушылар мен студенттерге арналған тәжірибелік жобалар мен жаттығулар әзірленеді;

• Білім беру жүйесінде AIfES-ті қолданудың әдістемелік негіздері жасалады;

• Роботтық құрылғылардың дербестік дәрежесін арттыруға мүмкіндік беретін адаптивті алгоритмдер үлгілері дайындалады.

• Зерттеу нәтижесінде төмендегідей жетістіктер күтіледі:

• AIfES кітапханасының жұмыс істеу принципі мен архитектурасы толық ашылады;

• Arduino платформасында қарапайым нейрондық желіні құру және қолдану жолдары ұсынылады;

• AIfES көмегімен жасалған шағын жобалар білім беру процесінде пайдалануға ұсынылады;

• Роботтық жүйелердің дербестік және бейімделу деңгейі артады;

• Білім алушылардың машиналық оқытуға қызығушылығы артып, практикалық дағдылары дамиды.

Қорыта айтқанда, AIfES кітапханасы – төмен қуатты микроконтроллерлерде машиналық оқытуды енгізуге арналған заманауи, икемді және ашық құрал. Бұл кітапхана Arduino сияқты кең таралған платформалармен толық үйлесімді жұмыс істей отырып, робототехника саласындағы күрделі емес ИИ жобаларын жүзеге асыруға мүмкіндік береді. AIfES арқылы оқушылар мен студенттер тек бағдарламалауды ғана емес, сонымен қатар жасанды интеллект негіздерін де тәжірибе жүзінде меңгере алады.

Мақалада көрсетілген тәжірибелік жобалар мен зерттеу нәтижелері роботтық жүйелердің интеллектуалды деңгейін арттыруға, ал білім беру саласында – оқытудың сапасын жақсартуға оң әсер етеді. Демек, AIfES – тек техникалық емес, сонымен бірге педагогикалық құрал ретінде де өзектілігі жоғары, әрі болашағы бар шешім.

AIfES – төмен қуатты микроконтроллерлер үшін арнайы әзірленген, машиналық оқытуды енгізуге мүмкіндік беретін инновациялық сандық құрал. Arduino платформасына бейімделген бұл кітапхана оқытушылар мен оқушыларға роботтық құрылғыларға қарапайым нейрондық желілерді енгізу арқылы интеллектуалды мүмкіндіктер қосуды үйретеді. Бұл құрал тек техникалық шешім ғана емес, сонымен қатар білім беру жүйесінде инновациялық тәсілдерді енгізуге жол ашатын тиімді ресурс.

AIfES кітапханасы арқылы роботтық құрылғылар дербес шешім қабылдауға, үйренуге және әрекет етуге қабілетті болады. Ал бұл — болашақта адам мен машинаның тиімді өзара әрекеттесуіне негіз қалайтын маңызды қадамдардың бірі.