Слова «робот» и «робототехника» прочно вошли в наш обиход, как, собственно, и их расшифровка стала частью нашей жизни. Я говорю не о человекоподобных механизмах с искусственным интеллектом, время которых ещё не пришло. О чём-то более приземлённом: роботах-доставщиках, перевозящих небольшие грузы по дорогам или на территории промышленных производств, или о роботах-манипуляторах, заменяющих человека в монотонных, опасных и тяжёлых условиях работы. Даже простой робот-пылесос, который сегодня во многих домах, уже полноценный робот, которого придумали для конкретной задачи.
Но несколько десятилетий назад не было ни их, ни даже такого определения, возникшего задолго раньше по фантазии чешского писателя Карела Чапека и озвученного им в пьесе «Р.У.Р.» в 1920-м. Слово «робототехника» появилось и того позже, лишь в 1941-м и стало плодом творчества фантаста Айзека Азимова и впервые было использовано им в рассказе «Лжец!».
Писатели-фантасты XX века, такие как Карел Чапек, Айзек Азимов, Артур Кларк (впервые в своих литературных произведениях выдвинувший идею создания спутников связи, ставшей впоследствии основой всех систем спутниковой навигации и обмена информацией), Роберт Хайнлайн стали предтечей огромной отрасли науки и техники, известной сейчас как робототехника. Она наукоёмкая и ресурсоёмкая, и, главное, требует высококлассных специалистов с широкими познаниями в математике, механике, электронике и программировании.
Статья ставит цель сделать обзор современных любительских программно-аппаратных платформ (ПАП), из которых разрабатывают автоматизированные и роботизированные системы. Описать их разновидности, сходства и отличия, функциональность, сферы применения, возможности расширения и другие параметры.
Мы познакомим читателя с робототехникой с прикладной точки зрения. Описанные ПАП и технологии имеются в широком доступе и пригодны для самостоятельной сборки с целью персонального использования. Или в качестве учебной базы для подготовки и организации обучения перед погружением в профессиональные узконаправленные области робототехники.
Время чтения: 27 минут
Робототехника? Это очень просто!
Программно-аппаратные платформы на основе микроконтроллеров
В разделе рассмотрим две популярные ПАП для энтузиастов, а именно Arduino и ESP. Они подразумевают собой максимальную степень абстрагирования конструктора-любителя от глубоких принципов функционирования электронной аппаратной части, а также дающих лёгкость и скорость написания управляющей микропрограммы («прошивки»).
Платформа Arduino
Это популярнейшая ПАП с открытым исходным кодом, основанная концепция которой — лёгкость взаимодействия разработчика с аппаратным и программным обеспечением. Её сердце — восьмибитные микроконтроллеры ATmega168 (Uno R1\R2, Pro Mini 168, Nano R1), ATmega328 (Uno R3, Mini, Nano R2\Pro\Pro Mini 328), ATmega32U4 (Leonardo, Micro, Yun), ATmega2560 (Mega) американской компании Atmel, являющейся сейчас часть концерна Microchip. Платы Arduino воспринимают события в аналоговом и цифровом виде. Это сигналы с различных датчиков (напряжения, силы тока, температуры, освещённости, положения в пространстве и любых других), а также кнопок. Они их превращают в действия — включение лампы, двигателя, клапана или иного механизма, отображения информации на дисплее, её передачи и другие.
Алгоритм работы определяется разработчиком самостоятельно путём программирования. Для этого применяют Arduino IDE и язык, являющийся надстройкой над Си (С). Помимо фирменной среды, у инженеров имеется несколько альтернативных интегрированных средств (IDE): от простейших графических, предназначенных для обучения детей азам программирования (Minibloq), до сложных решений, представленных непосредственно производителем (Atmel/Microchip Studio).
Для обмена опытом открыто много сообществ Arduino-разработчиков с советами, примерами, лайфхаками. Лёгкость освоения и обширная поддержка располагают быстро научиться разрабатывать электронику. Помимо оригинальных Arduino, существует весомое число так называемых Arduino-совместимых продуктов от других производителей, полностью совместимых с оригиналами, но заметно дешевле.
Сравнительные характеристики представлены в таблице:
Все используемые микроконтроллеры аналогичной производительности. Основное отличие в величине памяти: для хранения программ (FLASH), оперативной (SRAM), для долговременного хранения (EEPROM) и числе портов.
Платформа ESP
Она вторая по популярности, и уступает лишь Arduino. Основана на микроконтроллерах китайского производителя Expressif Systems, а именно на тридцатидвухбитных чипах ESP8266, и более современных ESP32. Они высокопроизводительные по сравнению с серией ATmega, устанавливаемой в Arduino, а ещё снабжены беспроводными интерфейсами, такими как Wi-Fi и, в некоторых моделях, Bluetooth. Обладает теми же возможностями, но есть и дополнительные. Микроконтроллеры серии ESP взаимодействие с компьютером или с другими модулями осуществляют по распространённому протоколу UART посредством AT-команд — специализированного набора команд для настройки и работы с разными приборами связи. Другими словами, подключенный к компьютеру ESP — уже полнофункциональное оборудование, подключающееся по Wi-Fi: допустим, для выгрузки-загрузки информации или управления дистанционным контроллером, роль которых играет ПК или смартфон. Написание и загрузка «прошивки» делают модуль полностью автономным, обладающим значительной вычислительной мощностью и беспроводной связью. Конфигурирование выполняется через ПО, доступное на ресурсах производителя, или в сторонних программах, более распространённых.
Ввиду разнообразия и серьёзного отличия модулей ESP будут приведены характеристики популярного ESP8266 ESP12F, отличающегося высоким соотношением «цена/производительность»:
Микроконтроллеры ESP производительнее, чем Arduino, за счёт большей разрядности и тактовой частоты, расширенной ОЗУ и ПЗУ.
Основные платы
Здесь представим обзор распространенных решений.
Этот вариант совместим с оригиналом, так как базируется на чипе восьмиразрядного микроконтроллера ATmega328P. Есть 14 входов/выходов для подключений с цифровыми сигналами (логический уровень 5 вольт), а также 8 аналоговых входов, к которым подсоединяют оборудование, передающее информацию уровнем напряжения (0-5 вольт). Также есть отдельно выведенный разъём ICSP, через который по протоколу SPI с помощью программатора выполняется программирование, но основное средство — USB-порт (через преобразователь USB/UART на распространённой микросхеме CH340) для подключения к ПК. Помимо SPI, есть аппаратная поддержка протоколов связи UART и I2C. ATmega328P получил частоту 16 мегагерц и располагает 32 Кб FLASH-памяти, 2 Кб SRAM-памяти и 1 Кб EEPROM-памяти. Питание производится от источника электропитания с рекомендуемым напряжением 7–12 вольт или от порта USB. Плата снабжена линейными стабилизаторами с выходным напряжением 5 и 3.3В, облегчающими интеграцию дополнительных модулей. Простота и высокая вычислительная мощность позволят с лёгкостью обучиться программированию и построению несложных систем.
- Недорого.
- Качественно.
- Сбалансированные характеристики.
- В комплекте отсутствует USB-кабель.
Её характеристики аналогичны рассмотренной ранее модели, но есть отличия в конфигурации. Особенностью UNO стало разнообразие доступных плат расширения (shields), подключаемых допэтажами к базе. Они бывают как коммутационными и предоставляют больше точек соединения или идут с дополнительными компонентами (драйверами шаговых двигателей или реле) для добавления нужного функционала.
- Стоимость и качество.
- Достаточно ресурсов и функционала для несложных систем.
- Многообразие shields.
- Кабель USB A/USB Mini в комплекте.
- Отсутствуют.
Она снабжена оригинальным чипом ATmega2560 с разрядностью восемь бит и демонстрирует наибольшее количество доступных портов: в распоряжении 54 цифровых входа и 14 аналоговых. Характеристики ATmega2560:
- Частота 16 МГц.
- Память: 256 Кб FLASH, 8 Кб SRAM и 4 Кб EEPROM.
Эти характеристики более чем достаточны даже для сложных робототехнических проектов. Есть поддержка SPI, UART и I2C. Программируется также через USB-подключение. Питается от 7–12 вольт, либо от USB-порта. Для электропитания модулей предусмотрен выход на 5 и 3.3В.
Как и UNO, эта модель поддерживает огромный выбор shields. Они расширяют функционал, предоставляя дисплей, кнопки, динамик, адаптер чтения/записи карт памяти, интерфейсы Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, GSM/GPRS, RF и многое другое. Помогая этим собрать довольно сложный прибор без пайки и проводов.
- Стоимость и качество сборки.
- Подходит для создания сложных архитектур.
- Многообразие совместимых shields.
- В комплекте USB-шнур.
- Для новичков излишне сложная.
Она базируется на популярном 32-разрядном микроконтроллере. Она мощнее предшественников:
- Частота ядра 80 МГц в обычном и до 160 МГц в режиме разгона;
- Память: 4 Мб FLASH, 80 кб SRAM, EEPROM-память эмулируется из части FLASH-памяти и определяется в процессе конфигурирования чипа.
ESP-12F получил встроенную поддержку стандарта Wi-Fi и способен как подключаться к сетям, так и создавать хосты типа «точка-точка» с конкретным мобильным устройством. Также поддерживается обновление по беспроводному подключению. Число цифровых портов традиционно скромнее, чем даже у ATmega168 или 328, и равняется 11 плюс 1 аналоговый порт ввода. NodeMCU на аппаратном уровне поддерживает SPI, UART и I²C. Программируется через USB-порт. Рекомендованное напряжение 5В или 3.3В, либо от USB-разъёма. Есть стабилизация выхода 5 и 3.3В.
- Увеличенная память.
- Поддерживается Wi-Fi.
- Функция беспроводного обновления.
- Невысокий потенциал к расширению.
Это функциональный и даже уникальный продукт. Он подключается к мобильным сетям стандарта GSM 850/900/1800/1900 для приёма/передачи голосовых вызовов, умеет принимать/передавать SMS-сообщения, используя GPRS-технологию обмениваться данными с удалённым узлом, например, через сеть Интернет. Предусмотрено получение сигналов глобальной системы спутникового позиционирования GPS, их обработка и хранение. Получил выводы для антенн GSM и GPS, микрофона, динамика и других средств взаимодействия. Есть SPI, UART и I2C. Снабжён слотом для SIM-карты и карты памяти формата FT для хранения микропрограммы, рабочих файлов и данных. Вся документация и ПО выложены на ресурсе.
- Поддержка стандартов GSM и GPRS, GPS.
- Антенны в комплекте.
- Позволяет ввести возможность получения сведений о местоположении, а также обмена данными в мобильной сети.
Базирующаяся на ESP32, выполнена в форм-факторе UNO и выступает её полным функциональным аналогом. Размеры, расположение части элементов и контактных разъёмов, а также назначение выводов аналогично, что позволяет использовать её с совместимыми shields. Но по сравнению с 8-битным ATmega328, 32-битный ESP32 довольно шустрый: частота 160/240 мегагерц, объём FLASH 4 мегабайта, SRAM 512 килобайт. Впечатляющие характеристики в совокупности с Wi-Fi «на борту» позволяют разрабатывать сложные робосистемы со множеством датчиков и органов управления, требующих производительного вычислительного модуля. «Прошивка» обновляется по Wi-Fi. Поддерживает протоколы SPI, UART и I2C. Для программирования применяется USB-порт. Номинал электропитания 7–12В, допускается подключение к USB-гнезду. Встроенный стабилизатор энергии линейного типа выдаёт 5 и 3.3В.
- Много памяти.
- Встроенный Wi-Fi.
- Функция Wi-Fi-обновления «прошивки».
- Нет кабеля USB.
Модули расширения
Здесь рассмотрим востребованные компоненты: дисплеи, связь, датчики и т. п. Большинство используют и с одноплатниками.
Дисплеи
Самые популярные. Позволяют в символьном или графическом виде выводить на экран требуемую информацию, а случае применения светодиодных матриц, дисплей — элемент, отвечающий за базовую функцию, а именно: техническую эстетику. Они делятся на виды:
- Семисегментные светодиодные индикаторы.
Они простые, недорогие, подходят для вывода числовой информации, а также некоторых литер латинского языка (обычно от A до F, требующиеся для вывода шестнадцатеричных чисел). Очертание цифр и литер формируется включением светодиодов требуемых секций. В зависимости от количества отображаемых знаков есть одно-, двух-, трёх, четырёхразрядные и более. Управление множеством светодиодов осуществляется с помощью сдвиговых регистров (смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств»), серии 74HC595, или специализированными драйверами типа MAX7219 и аналогичными, подключаемыми по протоколу SPI или I²C.
- Знакосинтезирующие ЖК-индикаторы.
Они выводят практически все символы, включая прописные и строчные литеры, цифры, пунктуационные знаки и спецсимволы. Формируют их в определённом месте матрицей точек, размерностью 5*8. Количество ограничено конструктивно: большинство популярных версий в 2 или 4 строки по 16 или 20 символов. Таким образом, общая символьная ёмкость будет 32–80. Набор символов и их шрифт жёстко установлены в знакогенераторе и, как правило, изменению не подлежат. Подключение производится с помощью параллельного интерфейса, что чревато трудностями, одна из которых заключается во множестве проводников и задействовании многих портов. Более удобное решение — двухпроводной интерфейс I²C через переходник.
- Графические жидкокристаллические дисплеи.
Они способны выводить символы произвольного набора и шрифта, а также любую графическую информацию. Её формирование производится микроконтроллером или микрокомпьютером. Бывают как монохромными, так и цветными, изготовленными по технологии TFT TN или TFT IPS. Диагональ от одного до нескольких дюймов; интерфейсом связи, как правило, служит SPI или I²C. К одноплатникам подключают дисплеи большей диагонали, и, кроме того, снабжённые возможностью сенсорного ввода; подключение реализуется по HDMI.
- Графические дисплеи на органических светодиодах (OLED).
OLED-дисплеи стали прогрессивными видами на сегодня. Состоят и множества светодиодов из органических материалов, способных эффективно излучать свет определённой длины волны (цвета). Они отличаются от ЖК увеличенной яркостью, позволяющей без затруднений визуально воспринимать информацию даже в условиях высокой освещенности, повышенной контрастностью, недостижимой на классических ЖК-модулей, а также низким энергопотреблением. Это обусловлено тем, что она связана с яркостью и площадью свечения. Чем меньше точек задействовано в выводе символов или изображения и чем ниже их яркость, то тем меньше она будет. Здесь энергопотребление не зависит от этих параметров, а связано с работой подсветки: даже для отображения одного символа приходится подсвечивать весь дисплей, потребляя больше тока. Их применение оправдано в мобильной технике, получающей питание от аккумуляторных батарей.
- Светодиодные (LED) матрицы.
Они обладают наибольшей технической эстетикой и предназначены для вывода символьной и графической информации в декоративной или вспомогательной электронике (бегущие строки, часы, игрушки, предметы интерьера и т. п.). Выполняются как на обычных светодиодах с определённым цветом свечения, так и на специальных, так называемых, «адресных», содержащих микросхему-дешифратор, получающую из потока данных информацию о яркости и цветности. Она передаётся по отдельному проводнику по цепочке от первого светодиода к последнему, а формируется базой. Управление матрицами на обычных светодиодах осуществляется через драйвер MAX7219 и аналоги. Работает это по SPI или I²C.
Модули связи
Как следует из названия, они связывают микроконтроллеры или периферию с ними. В микроконтроллеры встроена поддержка проводных форматов на уровне «железа»: UART, SPI и I²C, и в дополнительных модулях не нуждаются. А эффективные беспроводные соединения есть нескольких видов. Устаревший ИК-порт и подобные ему рассматриваться не будут:
- Радиочастотная связь (RF).
Есть немало подвидов (в зависимости от частоты, протокола передачи и других), но все их роднит то, что сигнал передаётся с помощью кодовых радиопосылок на одной из стандартных частот, выделенных для них (433 мегагерц, 2.4 ГГц и других). Он один из простейших для организации и программирования взаимодействия между удалёнными приёмопередатчиками и гарантирует качество на расстоянии от нескольких метров до одного километра (в зависимости от мощности приёмопередатчика, частотного спектра, используемой антенны, характера местности и других параметров).
- Bluetooth-связь.
Служит одним из востребованных форматов соединений как между двумя микроконтроллерами (микро-компьютерами) так с другим устройством: ПК или смартфоном. Обладает помехозащищенностью и информационной безопасностью, ввиду шифрования и механизма скачкообразного переключения несущей частоты. Дальность действия в среднем составляет около 10 метров. Есть возможность передачи как и единичных пакетов информации, так и потока, например, звука.
- Wi-Fi-связь.
Аппаратно поддерживается ПАП ESP, а также всеми одноплатниками; в случае использования микроконтроллера ATmega поддержка реализуется с помощью внешнего модуля, базирующегося на ESP8266. Wi-Fi даёт максимальную среди других решений скорость соединения, защищен от помех и несанкционированного доступа. WiFi-подключение современное и предпочтительное как для потоковых данных (звукового или видеопотока), так и телеметрии для дистанционного контроля оборудования, которым выступает, скажем, квадрокоптер.
Датчики
Как и человек получает информацию от органов чувств, так и автоматике для функционирования нужны сведения от датчиков для реализации разных функций. После получения она обрабатывает их, и на основе результата обработки принимает то или иное решение.
Вот пример: показания с термодатчика служит основой для регулировки тока через термоэлемент, реализуя поддержание заданной температуры. Количество разновидностей датчиков чрезвычайно велико: от часто используемых температурных, до редких и дорогих сенсоров машинного распознавания. Чаще остальных на практике в любительских конструкциях используются датчики:
- Температуры.
- Освещённости.
- Цвета (цветовой температуры света).
- Влажности.
- Кислотности (pH-метр).
- Давления.
- Ультразвуковой датчик расстояния (УЗ-дальномер).
- Лазерный датчик расстояния (лазерный дальномер).
- Инфракрасный датчик препятствий.
- Ускорения (акселерометр).
- Газового состава.
- Звукового давления.
- Сгиба.
- Расхода жидкости.
Исполнительные механизмы
Описанные в предыдущем разделе датчики применяют для получения информации, которую затем обрабатывает микроконтроллер. Конечным продуктом её обработки, как правило, служит или отображение информации на индикаторе или дисплее (они описаны ранее), либо выполнение команды. Их номенклатура чрезвычайно широка, от простейших электромагнитных реле до сложных источников излучения. В любительской практике при конструировании чаще всего применяются:
- Электромагнитные и твердотельные реле.
- Поступательные силовые приводы (соленоиды).
- Сервоприводы.
- Шаговые электродвигатели.
- Линейные двигатели.
- Нагревательные элементы.
- Клапаны.
- Насосы.
- Источники излучения (лазерного, электромагнитного и иного).
- Механика роботов (движущиеся шасси, манипуляторы).
Коммутационные элементы и аксессуары
Для объединения плат ПАП с внешними комплектующими применяются разнообразные коммуникационные элементы. Помимо shields для Arduino UNO и MEGA, которые уже с нужными модулями, большинство периферии подключается с помощью гибких проводников с разъёмными контактами. Они позволяют быстро и удобно выполнять сборку и наладку. Если нельзя их использовать, если этого не позволяет конструкция контактов, оправдано применение проводов с зажимами-«крокодилами».
Если помимо готовых модулей, требуется оснастить плату или микроконтроллер схемой, содержащей отдельные электронные компоненты, то лучше в процессе наладки разместить их на макетной плате, позволяющей без пайки или других неразъёмных соединений создать надежный электрический контакт. В них стандартный шаг отверстий равный 2.54 миллиметра, как у многих современных выводных компонентов с жёсткими выводами (микросхемы в корпусах DIP, транзисторы в корпусах TO-220 и аналогичных, электролитические конденсаторы, подстроечные и переменные резисторы и многие другие). Соединение отдельных частей выполняется гибкими проводниками или же жёсткими перемычками, минимально загромождающими пространство.
Помните, что качественнее всего лишь пайка. И после наладки и настройки в готовом проекте все желательно пропаять, а отдельные части разместить на печатной плате. Так будет повышена общая надёжность, особенно когда есть подвижные части и механизмы.
Готовые наборы
Основную Arduino-совместимую плату, как и дополнения к ней, комплектуют самостоятельно. Или пользуются предложениями производителей, покупая вариант, содержащий всё для первых шагов в создании робототехнических устройств.
Популярный стартовый набор. Содержит всё для вхождения в отрасль:
- База с микроконтроллером и USB-контроллером.
- Плата-макет для быстрой сборки прототипа (830-контактная).
- Модули и датчики:
- ЖК-дисплей 1602 (2 строки по 16 символов).
- Светодиодные матричные (8x8) и семисегментные индикаторы (1- и 4-разрядный).
- Инфракрасный приёмник и пульт-передатчик.
- Датчик температуры и влажности.
- Датчик освещённости.
- Датчик звукового давления.
- Датчик наклона.
- Считыватель радиочастотных меток RFID + 2 метки.
- Различные кнопки.
- Сервопривод.
- Шаговый электродвигатель.
- Реле.
- Часы реального времени.
- Звуко- и светоиндикаторы.
- Коммутационные проводники.
- Кабель для синхронизации с ПК.
- Инструкция с 12-ю уроками на русском языке.
- Расширенная комплектация за небольшую цену.
- Надёжные комплектующие.
- Русскоязычная инструкция с обучением объяснит всё на первых порах.
- При большом энтузиазме быстро «вырастаешь» из него и требуется покупка модулей отдельно.
Фантастам прошлого столетия принадлежат понятия «робот» и «робототехника», вошедшие в наш обиход вместе с этими технологиями. Но этим гениям фантастической литературы было невдомёк, насколько плотно средства автоматизации и роботизации станут частью жизни. Доставщики, пылесосы, промышленные манипуляторы, квадрокоптеры, дроны и прочие программируемые механизированные устройства разрабатываются, совершенствуются и трудятся на благо человечества. В советском кинофильме «Приключения Электроника», повествующем о похождениях мальчика-робота звучит такая песня:
«...Позабыты хлопоты, остановлен бег,
Вкалывают роботы, а не человек...»
Мы создаём роботов, чтобы они послужили нам заменой в монотонных, трудных и опасных условиях работы. Но для этого требуется потрудиться человеку. Описанные в статье ПАП предназначены как раз, чтобы научить разрабатывать и программировать простую робототехнику (Arduino), а также сложные ИИ-системы и средства машинного обучения, такие как NVIDIA Jetson.
