Программирование для робототехники: на каких языках программируют роботов

Краткое содержание статьи:

Что такое робототехника?

В результате робототехника включает в себя проектирование, конструирование и эксплуатацию интеллектуальных машин, называемых роботами. Такие машины используются в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность, здравоохранение, электронная коммерция, освоение космоса и транспорт и т.д.

В 1959 году в США родился первый промышленный робот Unimate, открыв новую эру развития промышленности. Подробнее про первых в истории роботов смотрите здесь: Краткая история робототехники

Каковы пять основных областей робототехники

1. Интерфейс оператора

Интерфейс оператора относится к взаимодействию между роботом и его человеком-контроллером. Это механизм связи между человеком и машиной, например, сенсорная панель, джойстик.

2. Подвижность или передвижение

Подвижность или передвижение описывает, как робот перемещается из одного места в другое в заданном пространстве. И это зависит от типа машины. Например, летающие роботы и дроны используют пропеллеры для движения. Точно так же гуманоиды ходят на двух ногах, как люди. Другие варианты мобильности включают плавники и колеса.

Он относится к конкретному компоненту машины, который делает его идеальным для выполнения определенных задач. Такие части могут включать толкатели, когти, захваты, механические руки и пальцы. Например, промышленные роботы обычно оснащены двухпальцевыми захватами для перемещения предметов.

4. Ощущения и восприятие

Ощущения и восприятие сосредотачиваются на том, как машина идентифицирует вещи в своей среде и реагирует на эти факторы. Благодаря этому полю робот может получить доступ к такой информации, как:

Например, когда робот встречает препятствие, в каком направлении он должен двигаться. Программисты вводят такие компоненты в машину, чтобы помочь ей принять правильное решение.

Программирование относится к командам, которые позволяют роботам функционировать в конкретной ситуации. Он включает в себя проектирование и создание исполняемой компьютерной программы для выполнения определенных задач.

Сегодня существует более тысячи языков программирования роботов. Чтобы понять, как работает эта область робототехники, мы должны разобрать этот вопрос более подробно.

Что такое программирование роботов?

Программирование роботов относится к процессу разработки схемы управления тем, как машина взаимодействует с окружающей средой и достигает своих целей. Обычно для этого требуются базовые знания математики и языка программирования. Например, Python сегодня является одним из самых популярных языков программирования роботов.

Помимо разработки машинного обучения, Python также можно использовать для создания пакетов операционной системы роботов. Прежде чем мы исследуем другие языки программирования, давайте сначала рассмотрим программное обеспечение.

Какое программное обеспечение используется для программирования роботов

Операционная система роботов (ROS)

Например, проект с открытым исходным кодом ROS-Industrial включает интерфейсы, уникальные для промышленных роботов. К ним относятся промышленные манипуляторы, захваты, датчики и сети устройств.

Важнейшим преимуществом операционной системы робота является способ работы и взаимодействия программного обеспечения. Это позволяет программистам разрабатывать передовое программное обеспечение, не зная, как работает конкретное оборудование.

Автономное программирование роботов OLP

Используя трехмерное представление роботизированной рабочей ячейки, которое наглядно демонстрирует, как робот движется по запрограммированному пути.

Автономное программирование (OLP) может выполняться с помощью программных платформ, специфичных для непосредственных производителей оборудования (OEM), или с помощью сторонних решений.

OLP также дает опытным и начинающим программистам роботов возможность создавать, тестировать и изменять программу или задачу робота в удобной виртуальной среде программирования на ПК до того, как они будут реализованы на операционном уровне.

Робот запрограммирован на перемещение от точки к точке, однако необходимо планировать путь в соответствии с конкретными элементами, такими как приспособления для удержания деталей. При планировании траектории проще запрограммировать робота для маневрирования вокруг фиксированных точек, поскольку он активирует обнаружение столкновений для предотвращения нарушений движения.

Если несколько роботов работают в непосредственной близости, важно, чтобы они были запрограммированы на работу в команде. Во время автономного процесса программирования функция обнаружения столкновений сигнализирует о потенциальном риске сбоя, позволяя программисту внести необходимые корректировки перед загрузкой программы на рабочий уровень.

Автономное программирование позволяет создать роботизированную задачу еще на этапе создания рабочей ячейки. Этот процесс ускоряет время интеграции, поскольку файлы данных могут быть переданы после того, как рабочая ячейка будет завершена и установлена на операционном уровне.

Гибкость программного обеспечения OLP предлагает множество преимуществ и позволяет лучше сочетать задачи с легким переходом от одной задачи к другой.

Программное обеспечение для управления роботами

Некоторые повседневные задачи, которыми управляет программное обеспечение робота, включают цепи обратной связи, фильтрацию данных, определение местоположения и обмен данными.

Программное обеспечение роботов имеет очень частную природу. Таким образом, производители оборудования для роботов обычно должны предоставлять собственное программное обеспечение для работы с машиной.

Как научиться программировать робототехнику?

Из более чем 1500 языков программирования в мире только десять популярны в области робототехники. К ним относятся Pascal, Scratch, Industrial Robot Language, LISP и Prolog. Также есть C / C ++, Python, JAVA, C # /.NET, MATLAB и язык описания оборудования.

Вот разбивка языков программирования роботов в порядке их полезности.

Этот язык программирования является также основой для нескольких промышленных роботов языков. По этой причине это отличная отправная точка для тех, кто хочет программировать промышленных роботов.

Хотя Паскаль может быть слишком устаревшим для повседневного использования, он может помочь вам познакомиться с другими языками промышленных роботов.

Scratch чрезвычайно популярен среди начинающих робототехников, и на то есть веские причины. Это яык визуального программирования, по сути, включает перетаскивание и соединение блоков.

Большинство опытных робототехников вряд ли напишут промышленных роботов на Scratch. Тем не менее, этот язык дает новичкам удобный способ познакомиться с робототехникой.

3. Языки промышленных роботов

Сегодня почти каждый робот имеет собственный язык программирования роботов.

Как вы уже догадались, это давняя проблема промышленной робототехники. Это означает, что пользователям приходится изучать новый язык каждый раз, когда они используют новый бренд роботов.

Некоторые среды программирования общего назначения, такие как ROS Industrial (Robot Operating System Industrial), начинают предлагать стандартизированные параметры. Однако технические специалисты по-прежнему могут использовать собственный язык программирования.

Между тем, Prolog был одним из первых языков логического программирования. Помимо доказательства полезности для обработки естественного языка, Prolog также используется для доказательства теорем, экспертных систем и автоматизированного планирования.

Действительно, вы можете программировать искусственный интеллект, используя другие языки из этого списка. Однако LISP и Prolog являются неотъемлемой частью некоторых реализаций искусственного интеллекта.

5. Язык описания оборудования

Инженеры, создающие низкоуровневую электронику для роботов, используют языки описания оборудования для описания своих прототипов.

Благодаря HDL программисты могут быстро описать схему с помощью слов и символов. Программное обеспечение для разработки может затем преобразовать это текстовое описание в данные конфигурации для реализации.

Инженеры-робототехники полагаются на MATLAB для анализа данных и разработки систем управления. Помимо обработки данных, некоторые университетские курсы также используют этот язык программирования в исследовательских целях.

Таким образом, исследователи, которые хотят использовать систему, должны изучить C#. Кроме того, язык программирования также служит основой для некоторых популярных движков виртуальной реальности, таких как Unity.

С учетом сказанного, C# может быть не самым простым языком программирования для изучения. Подумайте о том, чтобы начать с C / C++.

Java- это объектно-ориентированный язык программирования общего назначения, основанный на классах. Он предназначен для того, чтобы разработчики приложений могли писать один раз и запускать их где угодно.

Язык программирвоания J ava весьма полезен в некоторых аспектах робототехники. Например, это один из основных языков современных систем искусственного интеллекта, таких как AlphaGo и IBM Watson.

Существенным преимуществом этого языка программирования является простота использования. С Python вещи, которые отнимают время в программировании, такие как определение и приведение типов переменных, становятся ненужными.

Кроме того, для Python доступно большое количество бесплатных библиотек. В результате программистам не придется «изобретать велосипед» для реализации некоторых основных функций.

Python полезен в робототехнике, потому что это один из основных языков программирования в операционной системе для роботов ROS (помимо C ++). Тем не менее, он может стать еще более популярным, поскольку более дружелюбная к роботам электроника, например одноплатные компьютеры Raspberry PI, поддерживает этот язык по умолчанию.

Некоторые аппаратные библиотеки в робототехнике используют C или C++. Кроме того, эти библиотеки позволяют взаимодействовать с низкоуровневым оборудованием. И они также поддерживают работу в реальном времени.

Сегодня C ++, возможно, более полезен в робототехнике, чем C. Однако последний остается одним из наиболее энергоэффективных языков программирования.

Обратите внимание, что языки C и C++ не так просты в использовании, как Python или MATLAB. Реализация той же функциональности с использованием C не только занимает больше времени, но также требует большего количества строк кода.

Заключительное слово: какой язык программирования роботов вам следует изучить?

Основываясь на этом посте, вы можете сделать вывод, что изучение Python или C / C++ должно быть первым шагом. Хотя этот вывод может быть правильным, ответ на вопрос не так прост.

Вначале вам следует сосредоточиться только на разработке приемлемых практик программирования. Хотя для этого может потребоваться изучение многих языков, вам нужно выбрать только тот, который кажется вам естественным. Такой язык должен позволить вам быстро и легко разрабатывать программы. Однако он также должен соответствовать вашему роботизированному оборудованию.

Перевод с английского специально для сайта «Школа для электрика».

Источник

Шаг 10. Программирование роботов.

Программирование роботов

Программирование роботов обычно является заключительным этапом, связанным с созданием роботов.

Если вы изучали уроки, то вы выбрали приводы, электронику, датчики и т.д. И кто-то, наверное, смог собрать робота, которого придумал ранее. Но без программирования, робот является очень красивый и дорогим макетом, не умеющим делать ничего.

программирование роботов

Чтобы научить вас программировать роботов, потребуется не один урок. Поэтому этот урок поможет вам лучше понять, как начать и что нужно изучить именно вам.

Какой язык выбрать?

Какой язык программирования выбрать для вашего робота? Существует много языков программирования, которые можно использовать для программирования микроконтроллеров. Наиболее распространенными языками программирования роботов являются:

Ассемблер

Это язык низкого уровня максимально приближенный к машинному коду. Программирование роботов очень сильно зависит от архитектуры процессора и достаточно трудоемко в использовании.

ассемблер

Ассемблер нужно использовать только тогда, когда вам необходим абсолютный контроль над вашим кодом на уровне инструкций;

Basic

Один из самых популярных языков. Язык Си обеспечивает высокоуровневую функциональность, сохраняя при этом хороший контроль низкого уровня;

Он более современный, чем Си. Он обеспечивает множество функций безопасности в ущерб контролю низкого уровня. Некоторые производители делают микроконтроллеры специально для использования с Java.

Запатентованный язык Microsoft используется для разработки приложений в Visual Studio;

c#

Программирование для контроллеров Arduino

Используется вариант C ++. Программирование роботов на нём включает некоторые упрощения для того, чтобы сделать программирование не таким сложным;

Python

Один из самых популярных языков сценариев. Он очень прост в освоении и поэтому может использоваться для быстрой и эффективной передачи программ.

На уроке 4 вы выбрали микроконтроллер на основе необходимых вам функций (количество операций ввода-вывода, специальные функции и т. д.). Часто микроконтроллер предназначен для программирования на определенном языке.

Если вы выбрали микропроцессор известного или популярного производителя то, скорее всего, существует много литературы по этой теме. Следовательно вы сможете научиться программировать на выбранном языке программирования. В этом случае программирование роботов не вызовет больших трудностей.

Если же вместо этого вы выбрали микроконтроллер у небольшого, малоизвестного производителя (например, потому что у него было много функций, которые, по вашему мнению, были бы полезны для вашего проекта), то важно посмотреть, на каком языке должен быть запрограммирован контроллер и какие средства разработки доступны (обычно от производителя контроллеров).

Программирование роботов — начало.

Первой программой, которую вы, вероятно, будете писать, является «Hello World». По историческим причинам большинство учебников по программированию начинаются с этой фразы.

Это одна из простейших программ, которые могут быть сделаны на компьютере.

Она предназначена для печати строки текста (например, «Hello World») на мониторе компьютера или на ЖК-экране контроллера.

В случае с микроконтроллером другой очень простой программой, которую вы можете сделать — это переключение вывода IO. Присоединение светодиода к выходному контакту. Затем установление контакта I / O в положение ON и OFF приведет к миганию светодиода. При помощи контактов I / O можно запрограммировать много сложных функций. Например, включение многосегментных светодиодов для отображения текста и цифр, управления электромагнитными реле, сервоприводами и т.д.

Шаг 1.

Убедитесь, что у вас есть все компоненты, необходимые для программирования микроконтроллера. Не все микроконтроллеры поставляются со всем необходимым для их программирования. Большинство микроконтроллеров необходимо подключить к компьютеру через USB-штекер.

USB штекер

Если ваш микроконтроллер не оснащен разъемом USB, возможно вам понадобится отдельный USB-адаптер для последовательного интерфейса. Этот адаптер нужно правильно подключить. Многие микроконтроллеры программируются либо через порт RS-232, либо через USB. Часто они включают в себя разъем USB на плате. Разъем USB используется не только для двусторонней связи, но и для питания платы микроконтроллера.

Шаг 2.

Подключите микроконтроллер к компьютеру и проверьте, к какому COM-порту он подключен.

com порт

Не все микроконтроллеры смогут быть обнаружены компьютером. Поэтому вы должны прочитать в руководстве «Начало работы. И тогда вы будете точно знать, что нужно сделать, чтобы компьютер распознал его и смог с ним общаться. Вам может быть придется загрузить «драйверы» (специфичные для каждой операционной системы), чтобы ваш компьютер мог понять, как общаться с микроконтроллером и / или USB-конвертером последовательного преобразователя.

Шаг 3.

Прочитайте руководство пользователя продукта. Проверьте работоспособность при помощи приведенных в нем примеров написания кода с нужным протоколом связи.

Не нужно изобретать велосипед. Большинство производителей предоставляют некоторый код (или псевдокод), объясняющий, как заставить контроллер работать. Пример кода может быть на языке программирования, который вы не знаете, но не стоит отчаиваться. Просто выполните поиск в Интернете, чтобы узнать, создали ли другие люди необходимый код.

Полезные советы.

Создавайте управляемые куски функционального кода.

Создавая сегменты кода, специфичные для каждого продукта, вы постепенно создаете библиотеку. Создайте файловую систему на своем компьютере, чтобы легко найти необходимый код.

Документируйте все в коде, используя комментарии.

Документирование всего необходимо практически для всех рабочих мест, особенно для робототехники. По мере того, как вы становитесь все более и более продвинутыми, вы можете добавлять комментарии к общим разделам кода. Но при запуске вы должны добавить комментарий к (почти) каждой строке.

Сохраняйте разные версии кода.

Не всегда перезаписывайте один и тот же файл. Если вы обнаружите, что ваши 200+ строк кода не будут компилироваться, не стоит останавливаться только на этой версии кода. Вместо этого вы можете вернуться к ранее сохраненной (и функциональной) версии и добавить или изменить ее по мере необходимости. Код не занимает много места на жестком диске. Поэтому вы можете спокойно сохранять несколько копий.

При отладке робота поднимите его.

Нужно, чтобы колеса, гусеницы или ноги не касались поверхности. Тогда ваш робот не сможет себе навредить даже случайно. Не закрывайте деталями кнопку отключения питания. Это пригодится для того, чтобы в случае необходимости можно было его отключить.

Если код делает что-то, что кажется неработоспособным.

Через несколько секунд, выключите питание. Скорее всего проблема не исчезнет сама собой и нужна корректировка, а пока вы можете уничтожить часть механики. Сначала подпрограммы могут быть трудны для понимания, но они значительно упрощают ваш код. Если сегмент кода повторяется много раз в коде, он является хорошим кандидатом для замены подпрограммой.

Практический пример

Для нашего проекта был выбран набор Lego Mindstorms EV3. Для него есть специальная графическая среда программирования EV3 Programmer. Её можно бесплатно скачать с официального сайта Лего и сразу приступать к программированию робота.

программирование Lego EV3

Программирование происходит при помощи пиктограмм и является доступным для понимания.

Способы управления роботами

Источник

Языки программирования: на каком языке говорит робот?

Язык, на котором говорит робот (не важно, игрушка, робот-пылесос или медицинское оборудование), – это машинный код, набор знаков двоичной системы. Он сложен и малопонятен для человека. Писать на нем программы, то есть закладывать поведение робота, иррационально. Поэтому коммуникация между роботом и человеком происходит по такой схеме:

1. Человек пишет программу на языке программирования.

2. Написанный текст – код программы – проходит через «переводчиков»: компиляторы, интерпретаторы или трансляторы. Они преобразуют язык программирования в машинный код, понятный роботу.

Представьте, что вы хотите что-то объяснить итальянцу через переводчика. Ваш русский язык – это язык программирования, итальянский – это машинный код, ну а переводчик, соответственно, – транслятор, компилятор или интерпретатор.

3. Переведенная в машинный код программа попадает в «мозг» роботу. Роль «мозга» может играть схема, чип, микроконтроллер, микрокомпьютер или компьютер. Чем сложнее задачи будет решать робот, тем совершеннее должен быть его «мозг».

Видели собачек в детском магазине, которые начинают лаять, когда вы приближаетесь? В таких игрушках установлена электронная схема с простейшей логикой либо чип. Робот выполняет простейшие действия. Например, двигается по заданной траектории или воспроизводит записанный звук. Для более сложных задач уже потребуется микроконтроллер.

Низкоуровневые и высокоуровневые языки программирования

Сейчас используют несколько сотен языков программирования, которые можно разделить на две большие группы: низкого уровня и высокого.

Языки низкого уровня появились в начале 50-х гг. XX века, с их помощью программировать стало легче, чем на машинном коде. Используются они и сегодня и просто незаменимы в тех случаях, когда робот должен подчиняться строгому контролю. Но при работе с ними есть сложность. Для одного и того же действия, выполняемого роботами разной конструкции, нужно писать отдельную программу. Захват для роботоруки и робота-экскаватора будет выглядеть по-разному.

С языками высокого уровня – более развитыми и удобными для человека – такой проблемы нет. Особенности конструкции роботов не играют значимой роли, и одну и ту же команду выполнит любой из них. Но программы на таких языках весят гораздо больше, поэтому их пишут только для устройств с большим объемом памяти.

Мы можем договариваться с микроконтроллером через транслятор, и тогда, скорее всего, придется программировать на низкоуровневом языке. Если у микроконтроллера будет плата типа Arduino, то можно перейти на более «человеческий» высокоуровневый язык. Однако робот с несколькими типами управления запросто может оказаться полиглотом: его создатель будет сочетать разные языки для выполнения разных задач.

Мы подобрали пять языков, которые в тренде у робототехников.

Топ-5 языков программирования в робототехнике

Чтобы рассказать подробно о нашей пятерке лидеров, понадобится написать не одну книгу. Поэтому мы решили отметить основные особенности – этого достаточно, чтобы вы имели общее представление о языке и поняли, почему он оказался в топе.

Для наглядности покажем, как выглядит программа, написанная на разных языках. С нее начинается любое обучение программированию – на мониторе или на ЖК-экране контроллера должна появиться надпись Hello, world.

Assembly («Ассемблер»)

Относится к языкам низкого уровня, который максимально приближен к машинному коду. С появлением микроконтроллеров подобных Arduino язык стал применяться реже, поскольку микроконтроллеры поддерживают управление роботами на более высоком уровне, используя C/C++ и другие языки.Однако не стоит списывать со счетов «Ассемблер» – он в буквальном смысле незаменим, если требуется абсолютный контроль. Объяснить роботу особое условие другим языком в некоторых случаях просто не получится.

Идея использования Java заключается в применении одного и того же кода на разных роботах благодаря виртуальной машине Java. На самом деле это не всегда работает и приводит к медленному исполнению программы, которая пытается донести код до робота. Ведь виртуальная машина сначала должна создать «образ» того, как будет работать данная программа на определенном роботе. Это занимает достаточное количество времени, а само исполнение происходит с задержкой. При этом язык довольно популярен в робототехнике из-за своей универсальности, а некоторые производители даже делают микроконтроллеры специально для программирования на Java.

Язык часто применяют для роботов, связанных с веб-технологиями. Например, в системе «умный дом» (правда, в этом случае используют JavaScript, но принцип похож) или в машине, которая снимает видео и транслирует его в интернет.

Саймон Риттер – евангелист Java и один из создателей, является лучшим специалистом по использованию Java-технологии в мире робототехники. Он разработал Robotics Software Development Kit и регулярно показывает новые роботизированные системы.

MATLAB

Среди инженеров-робототехников популярен язык MATLAB со своей средой и его родственники с интерпретаторами с открытым исходным кодом, например Octave.

Чтобы запрограммировать игрушечную машинку, высокоуровневый MATLAB не нужен. А вот для разработки компьютерного зрения будет в самый раз. Программы, написанные на этом языке, могут обрабатывать большое количество информации и давать точный результат.

Python

Язык высокого уровня Python ценят за простоту и экономию времени, например при определении и приведении типов переменных.

Кроме того, существует огромное количество уже готовых написанных скриптов – кодов выполнения программы. Когда нужно реализовать некоторые базовые функции, можно воспользоваться готовым решением. Также язык допускает простые привязки со скриптами, написанными на C/C++. Это означает, что на этих языках могут быть реализованы части кода, требующие высокой производительности. Таким образом Python стал универсальным практически в любой области.

Популярность языка в робототехнике в последние годы только растет. Он, к примеру, часто используется для программирования на Raspberry Pi. Этот микрокомпьютер просто создан для экспериментов и разработки IoT-устройств. Тем более для Python существует множество библиотек, где есть готовые решения для базовых программ. Благодаря несложному и интуитивно понятному синтаксису даже дети и новички могут легко создавать роботов на Python.

«Си» сочетает удобство написания высокоуровневых языков и контроль низкоуровневых. Лучше многих других языков транслируется в машинный код, но обладает непростым синтаксисом и не прощает ошибок. Даже одна неверная строчка нового кода может нарушить работу уже действующих программ. Кстати, программы в универсальном робототехническом языке (сокращенно GRL – Generic Robot Language) компилируются на таких языках команд, как С.

Высокоуровневый C++ сложен на начальных этапах программирования, но если вы его освоите, то сможете применять практически для любых задач.

C++ используется для:

В «Робиксе» мы используем платы Arduino, которые программируются на языке C++ с дополнениями. Поэтому на занятиях по робототехнике наши ученики знакомятся еще и с логикой программирования «Си плюс-плюс».

на языке С:

на языке С++

Неважно, чем вы занимаетесь: программированием микроконтроллеров на «Ассемблере» или написанием программ на «Питоне», каждый из этих языков хорош для определенных манипуляций. Они имеют разный синтаксис и учитывают разные условия.

Представим, что сегодня мы с вами роботы. Перед нами стоит задача-программа: «Встать с кровати и выйти в дверной проем».

Если бы писали программу на Python, то для нас, роботов, она выглядела бы так:

На C++ она выглядела бы совершенно по-другому:

(Создать объект «комната»)

(Создать объект «кровать»)

Можно бить по клавишам, а можно играть мелодию. Выбирая язык, задумайтесь, что должен учитывать ваш робот при исполнении программы

Вместо заключения

Основное отличие между обычным программированием и программированием роботов заключается в том, что программист только пишет код, а робототехник еще взаимодействует с механикой, электроникой и окружающей реальностью.

Робототехник всегда должен следить за окружающей его реальностью. Меняются обстоятельства, соответственно, меняются и показания датчиков. Камера робота может перестать распознавать цвета и объекты, и все это нужно предусмотреть

Легче всего простейшие алгоритмы и логика языков даются в детстве. В «Робиксе» мы обучаем основам программирования даже дошкольников. Наши ученики начинают со Scratch, знакомясь с программированием в игровой форме, и дальше осваивают более сложные языки Python и C++. Ребята с увлечением создают собственные игры, роботов, а заодно готовятся к «взрослому» миру, где языки программирования в ряде отраслей уже давно перешли в разряд must have, а дальше их, может, и вовсе заменит искусственный интеллект. И понимание алгоритмов работы компьютера, умение ориентироваться в механике, электронике и сопутствующих технологиях – хороший набор навыков для профессии будущего.

Источник