Основы робототехники: одноплатные микрокомпьютеры

Основы робототехники: одноплатные микрокомпьютеры

заказать в суперайс одноплатные микрокомпьютеры

Мир стремительно шагает вперёд, во многом за счёт разработки и внедрения робототехники, которая сейчас одна из ведущих инновационных отраслей. Сегодня мы встречаемся с искусственным интеллектом и автоматизированными системами буквально везде — от умных гаджетов в наших карманах до сложных производственных линий.

Интересно, что многие технологии в области робототехники начали своё торжественное шествие с появлением одноплатников, которые в своё время проложили дорогу к доступности и популяризации электронной инженерии и программирования. Они используются в образовательных целях и в серьёзных проектах в области робототехнических систем.

Одноплатные микрокомпьютеры впервые были созданы в 1970-х годах, однако массовое их распространение началось с выпуска Raspberry Pi в 2012 году. Этот момент ознаменовал новую эру, когда каждый энтузиаст или студент получил контроль над мощным компьютером. Небольшой размер, небольшая цена и функциональность сделали одноплатные компьютеры основным инструментом разработчиков и исследователей.

В статье мы обсудим роль одноплатных микрокомпьютеров в основах робототехники, их функционал, а также как эти маленькие, но способные мини-устройства помогают людям в реализации самых смелых идей в роботизации. Узнав об истории и возможностях одноплатников, вы оцените, насколько мощные технологии стали доступнее и как они двигают технологический прогресс, упрощают жизнь и открывают горизонты для исследований и творчества.

Время чтения: 25 минут

Робототехника? Это очень просто!

Одноплатные микрокомпьютеры

В прошлой статье мы подробно рассмотрели популярные сегодня программно-аппаратные платформы. Сегодня поговорим о решениях, базирующихся на микропроцессорах ARM-архитектуры, а именно Raspberry Pi (и родственные ей Orange Pi и Banana Pi), профессиональную NVIDIA Jetson и обучающую BBC micro:bit. Все они подразумевают собой максимальную степень абстрагирования конструктора от глубоких принципов функционирования электронной аппаратной части, а также дают простоту и скорость конфигурирования имеющегося и разработки собственного ПО.

Платформа Raspberry Pi (Orange Pi, Banana Pi)

Она (как и её аналоги) концептуально схожа с Arduino: обе созданы для быстрой разработки цифровых устройств с максимальным абстрагированием от аппаратной части проекта и упрощенной реализации программной. Но в противовес Arduino, сердцем которой выступает относительно слабый микроконтроллер ATmega, это полноценный одноплатник с очень впечатляющими характеристиками. Так, современная плата Raspberry Pi 4 Model B 4GB получала 4-ядерный процессор с тактовой частотой 1.5 ГГц, 4 ГБ оперативной памяти, модули Ethernet, Wi-Fi и Bluetooth, видеовыход стандарта HDMI с поддержкой разрешения 4K. Его работа возможна под управлением любой ОС, поддерживающей ARM-процессоры (Linux, FreeBSD, Windows 10 ARM64 и других). Имея такие обширные ресурсы, получается создавать действительно сложные проекты, требующие серьёзной вычислительной мощности (роботы, обладающие машинным зрением и системой распознавания образов, автопилот для управляемых летательных аппаратов, игровые консоли и т. д.). Она недешёвая и имеет ненулевой порог вхождения, а рекомендуется к освоению специалистам, уже с опытом в разработке микроконтроллерной электроники.

Платформа NVIDIA Jetson

Она одна из ведущих в мире баз для встроенных систем, обладающих ИИ и автономных роботов с эффективной средой распознавания образов и машинного обучения. Включает в себя платы Jetson, представляющие собой высокопроизводительные микрокомпьютеры небольшого форм-фактора, NVIDIA JetPack SDK — комплекс ПО для быстрой разработки и развёртывания программ, собственную экосистему с датчиками, набор инструментов разработчика (SDK), сервисы и продукты. Полностью совместима с ПО для работы с ИИ и облачными сервисами, которые используются и на других решениях NVIDIA: для профессиональных задач, где предоставляет высокую производительность и эффективность, необходимые разработчикам аппаратного и программного обеспечения.

Платформа BBC micro:bit

Это решение с открытым исходным кодом на базе архитектуры ARM. Она была разработана Британской Вещательной Корпорацией (BBC) для использования в школьном образовании в Британии. Позже стала применяться в обучающих целях за рубежом. Основная плата имеет размер половины кредитной карты и базируется на 32-битном процессоре ARM Cortex-M4F (справедливо для современной версии 2.0) на 64 мегагерца, снабжено 512 Кб FLASH-памяти и 128 Кб оперативной SRAM-памяти, имеет встроенные трёхосевой акселерометр и магнитометр (электронный компас), подключение через Bluetooth и USB, светодиодный матричный индикатор 5x5 и две программируемые кнопки. Питание либо от внешнего блока электропитания или аккумулятора, или от USB-порта. Внешние устройства подключают через пять кольцевых контактов, служащих частью более крупного 25-контактного торцевого разъема. Программируется в средах Microsoft MakeCode, MicroPython или Scratch.

Основные платы

В разделе будет представлен обзор наиболее популярных и современных моделей.

Микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B 4GB

Модель оснащена 64-разрядным 4-ядерным ARM-процессором Cortex-A72 на 1,5 гигагерц, показывающим потрясающую производительность. В качестве видеоускорителя выступает Broadcom VideoCore IV, способный выводить изображение разрешением до 4K и на два дисплея. Объём оперативной памяти равен 4 Гб, что достаточно для любых задач. Внешка подключается через интегрированные USB-порты 2.0 и скоростные USB 3.0. Также присутствуют порты CSI и DSI для подключения камеры и дисплея при эксплуатации в составе встроенной системы, например в качестве автомобильного медиацентра.

Возможность соединения с LAN-сетью реализована с помощью гигабитного сетевого адаптера Ethernet, двухдиапазонного 2.4/5 ГГц Wi-Fi-адаптера, поддерживающего стандарт 802.11b/g/n/ac и Bluetooth-адаптера 5.0 BLE. Применяемость обширна: выступает вычислительным центром в автоматизации и роботизации, за счёт 40-контактного разъёма со множеством портов ввода/вывода и интерфейсами связи (I2C, SPI и другими), так и «сердцем» медиацентра, игровой консоли или сетевого хранилища

Плюсы
  • Имеет значительно большую производительность, чем предыдущие модели.
  • Наличие портов USB 3.0.
  • Видеовыход с разрешением до 4K по интерфейсу HDMI с поддержкой двухдисплейного режима.
Минусы
  • Цена выше, чем у альтернативных решений.
Купить микрокомпьютер NVIDIA в Суперайс

Вся линейка была анонсирована и продаётся недавно, но уже прочно заняла нишу: создание ИИ-систем, машинного обучения, компьютерного зрения и сложных роботизированных устройств, а также ресурсоёмких вычислений. На борту 64-разрядный процессор ARM-архитектуры Cortex-A72 с четырьмя ядра частотой 1,43 ГГц и 4 Гб ОЗУ. Одной из интересных частей здесь стал 128-ядерный видеопроцессор, позволяющий запускать на нём масштабные вычислительные задачи, используя, к примеру, программно-аппаратную архитектуру NVIDIA CUDA для сложных параллельных математических GPU-вычислений. Он имеет совместимость с Raspberry Pi в части поддержки периферии: обе модели оборудованы разъёмом на 40 контактов, расширяющим функционал по подключению внешних модулей и связи. На «борту»: USB 2.0 и высокоскоростные USB 3.0, гигабитный Ethernet-адаптер. GPU-процессор способен выдавать изображение 4K-разрешения по HDMI-интерфейсу, но, будет сказано ещё раз, что основным применением становятся «тяжелые» параллельные вычисления на многоядерном GPU, программирование ИИ и нейронных сетей, а также создание сложных роботов.

Плюсы
  • Производительность GPU.
  • Узкая ориентация на специализированные многоядерные вычисления и ИИ, и потому высокая производительность в рамках этой специализации.
Минусы
  • Высокая цена, обусловленная ориентацией на профессиональное применение.

Готовые наборы

Как и с Arduino-совместимыми платами, некоторые микрокомпьютеры тоже комплектуются дополнительными модулями. Рассмотрим основные решения.

Набор Raspberry Pi 4 Model B 4GB

Он основан на одном из наиболее современных одноплатников, описанном в предыдущем разделе. Включает практически всё для начала освоения разработки высокопроизводительных автоматизированных и роботизированных систем. Если конкретнее:

  • Основная плата с дата-кабелями для подключения к компьютеру, блоком питания и адаптером портов ввода/вывода.
  • Макетная плата для быстрого прототипирования (400 контактов), 40-контактный соединительный кабель и проводники.
  • Набор расширения:
    • Адаптер USB/UART.
    • SD-карта памяти на 16 гигабайт.
    • Кардридер для карт памяти SD.
    • Энкодер.
    • Электромагнитное реле.
    • Лазер.
    • Светодиодные модули 2-, 3-, 7-цветный.
    • Тактовая кнопка.
    • Датчики: наклона, вибрации, геркон+магнит, фотоэлектрический, дождя, Холла, термодатчик, интенсивности звука, освещенности, ИК-излучения, дыма, УЗ-датчик расстояния, температуры DS18B20, температуры-влажности DHT11, ИК-датчик препятствий, давления BMP180, акселерометр MPU6050, оптический сенсор частоты оборотов.
    • ИК-приемник + пульт-передатчик.
    • Зуммер активный и пассивный.
    • Модуль АЦП/ЦАП преобразователя PCF8591.
    • Джойстик.
    • Потенциометр.
    • Сенсорная кнопка.
    • Двустрочный дисплей LCD1602 по 16 символов в строке.
    • Часы реального времени.
  • Пластиковый кейс.
Плюсы
  • Хорошая комплектация, причём недорого.
  • Надёжные комплектующие.
Минусы
Набор BBC micro:bit 2.0

В нём есть все для начала освоения робототехнической отрасли. Он поможет сделать первые шаги в программировании микропроцессорных сборок. В него входит:

  • Основная плата с кабелями для подключения к ПК, кейсом для элементов электропитания и порт-адаптером.
  • Макетная плата (830-контактная), 40-контактный шлейф для соединения компонентов и проводники.
  • Периферия:
    • Сервопривод.
    • ИК-приёмник + пульт-передатчик.
    • Дисплей LCD 1602 (2 16-символьные строки).
    • OLED-дисплей 0.96".
    • Зуммер активный и пассивный.
    • Датчики: уровня жидкости, интенсивности звука, температуры-влажности DH11, Холла, наклона, движения, УЗ-сенсор расстояния, влажности почвы, вибрации, дыма, фотоэлектрический, освещённости (простой и BH1750), дождя, оптический тахометр, ИК-датчик препятствий, давления BMP280, герконовый, ИК-излучения, температуры DS18B2, термодатчик.
    • Лазер.
    • LED-модуль на 2, 3, 7 цветов.
    • Светодиод модуль одноцветный (красный, синий, белый, зелёный, жёлтый).
    • Сенсорная кнопка.
    • Джойстик.
    • 4-разрядный 7-сегментный индикатор.
    • Часы реального времени.
    • Электромагнитное реле.
    • Потенциометр.
    • Энкодер.
    • ИК-приемник.
    • Тактовая кнопка.
    • Микронасос с трубкой.
    • Отвёртка.
  • Пластиковый кейс для хранения и транспортировки.
Плюсы
  • Недорогой, при этом отлично укомплектован.
  • Качественные комплектующие.
Минусы
  • Отсутствуют.

Программируемые роботы и электронные конструкторы

Статья была бы неполной без обзора популярных готовых роботов-конструкторов для самостоятельной сборки. Конструкторы будут интересны детям среднего и старшего школьного возраста, увлекающимся научно-техническим творчеством, а также студентам технических специальностей и взрослым людям, которых интересует современная робототехника, электроника и программирование.

Робоконструкторы базируются на каждой из существующих платформ. Особенности в функционале и общей сложности. К примеру, простые Arduino-решения, основанные на слабоватом микроконтроллере ATmega, способны к несложным операциям, таким как самостоятельное движение, обход препятствий, обнаруженных на очень малой дистанции и подобных. В то время как решения на базе высокопроизводительного NVIDIA Jetson, имеющего высокую вычислительную мощность, выполняют сложные задачи, имея техническую возможность к выполнению ресурсоёмких операций. Сложность, конечно же, отражается на стоимости. Так, недорогие найдут аудиторию среди юных любителей техники, а потенциал дорогих и сложных будет раскрыт только профессиональными конструкторами автоматизированной и роботизированной техники.

Для любителей конструировать DIY продаже имеется множество комплектующих, таких как шасси, манипуляторы, сервоприводы, шаговые электродвигатели и другие.

Микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B 4GB

Этот DIY-набор универсален тем, что позволяет из одних и тех же комплектующих собрать девять разных роботов. Это шасси на гусеничном, колёсном и шаговом ходу, кран, манипулятор и некоторые другие. Все они не менее интересные с инженерной точки зрения. Включает множество деталей — миниатюрных аналогов настоящих узлов, встречающихся в промышленном оборудовании, к примеру, зубчатые и червячные передачи. Базируется он на BBC micro:bit, снабженный всем необходимым для подключения, программирования и настройки. Питается от Li-ion аккумулятора, заряжающегося от USB-порта. Управление либо управляющей программой, заложенной в микрокомпьютер, либо вручную ИК-пультом ДУ.

Плюсы
  • Отличный универсальный конструктор за невысокую стоимость.
  • Надёжные комплектующие.
  • Будет интересен как юным конструкторам, так и взрослым любителям DIY-робототехники.
  • Аккумуляторная батарея в комплекте.
  • Простота сборки и наладки.
Минусы
  • Отсутствуют.
Микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B 4GB

Он оборудован разными периферическими устройствами и показывает всё, на что способна Arduino-совместимая плата, базирующаяся на микроконтроллере ATmega 328P. Шасси состоит из четырёх колес, каждое из которых приводится в движение собственным электромотором, что повышает манёвренность и геометрическую проходимость. Контроль окружающей обстановки реализован несколькими сенсорными группами: при перемещении по столу или аналогичным местам упасть не дадут датчики линии, определяющие границу рабочей поверхности, а при движении по полу или грунту контроль реализован с помощью ИК-сенсоров препятствий и ультразвукового поворотного радара. Снабжен камерой высокого разрешения, передающей видеопоток на смартфон или ПК по Wi-Fi. Управление ИК-пультом, либо по Bluetooth через специальное приложение, установленное на телефон. Питание от литий-ионных аккумуляторов формата 18650.

Плюсы
  • Отличный конструктор за невысокую стоимость.
  • Надёжные комплектующие.
  • Встроенная камера высокого разрешения.
  • Подходит для конструкторов всех возрастов.
  • Аккумуляторные батареи и зарядное устройство в комплекте.
  • Руководство по сборке и наладке на русском языке.
Минусы
  • Отсутствуют.
Роботизированная рука STM32

Персонаж фильмов «Терминатор» с Арнольдом Шварценеггером воплощён в виде этого самого робота. Эта «механическая рука» имеет все шесть степеней свободы и перемещается вперед/назад, влево/вправо, вверх/вниз. Ещё механизм снабжен мощным захватом, способным захватить, удерживать и, вместе с общей кинематикой устройства, поднимать предмет весом до 500 грамм. Крепление шасси выполняется к гладким покрытиям с помощью присосок. Они без труда демонтируются и заменяются на винты/шурупы для фиксации на любых поверхностях. Управляется удобным геймпадом. Его сердцем служит плата управления на основе 32-разрядного высокопроизводительного микроконтроллера STM32, работающего на частоте 72 мегагерц с 256 Кб FLASH-памяти и 48 Кб оперативной SRAM-памяти. Питание от комплектной аккумуляторной батареи, снабженной сетевым блоком заряда.

Плюсы
  • Интересный и недорогой проект.
  • Фирменный высококачественные сервоприводы.
  • Базируется на мощном высокопроизводительном микроконтроллере.
  • Для взрослых и детей.
  • АКБ и ЗУ в комплекте.
Минусы
  • Цена выше средней.
Роботизированная рука STM32

Это удивительный роботизированный механизм. Сразу бросается в глаза металлическая брутальность легкосплавного и прочного алюминиево-магниевого корпуса, снабженного мощными приводами гусениц. Ход имеет независимую подвеску гусеничного узла, а рычаги и ролики из нержавеющей стали. Управляется машина мощным микрокомпьютером с предустановленной ОС Linux Ubuntu 18.04. Он оборудован 64-разрядным 1,5-гигагерцевым процессором, а объём ОЗУ равен 4 Гб. Коммуникационные способности представлены модулями Wi-Fi и Bluetooth. Ещё есть геймпад для беспроводного управления, альтернатива — приложения на смартфоне. Окружающая обстановка контролируется высокопроизводительным лазерным радаром (лидаром), обладающим ИИ-функциями Silan AI Standart Edition, сканирующим до 8000 раз в секунду и молниеносно реагирующим на быстро меняющуюся обстановку. Машинное зрение основано на камере Astra Pro Plus, участвующей как в передаче видеопотока на мобильное беспроводное устройство, так и в оптическом распознавании предметов и автоматической навигации.

Плюсы
  • Чрезвычайно интересное решение для детей старшего школьного возраста и взрослых.
  • Фирменные высококачественные комплектующие.
  • Построен на производительной базе.
  • Оптимален как для юных конструкторов, так и для взрослых.
  • Батареи и зарядник к ним в комплекте.
  • Есть необходимый инструмент для обслуживания.
Минусы
  • Стоимость выше среднего.
  • Поставляется почти полностью собранным и не содержит руководства по сборке.
Робот на базе NVIDIA Jetson Nano

Он просто фантастический по своим функциям. Прочное гусеничное шасси снабжено двумя мощными моторами, и способно передвигаться по любым поверхностям, включая открытый грунт и пересеченную местность. Многоосевой манипулятор умеет захватывать небольшие предметы или выполнять механические действия, такие как взаимодействие с органами управления (поворот рычага, нажатие кнопки и подобные). Электронно-вычислительная часть основана на сверхвысокопроизводительном микрокомпьютере с 64-битным 4-ядерным центральным процессором ARM Cortex A57, работающим на частоте 1.43 гигагерц. Но, что главное, снабжённого 128-ядерным GPU NVIDIA Maxwell, способным к высокоскоростной обработке графической информации и параллельным математическим вычислениям, требующимся при машинном обучении нейросетей и ИИ. Объём оперативной памяти составляет 4 гигабайта. Обстановка контролируется высокоточным лазерным радаром (лидаром) с ИИ-системой Silan AI Standart Edition, который сканирует со скоростью до 8000 раз/сек, гарантируя практически молниеносную реакцию на изменения. Для машинного зрения предусмотрена 4K-камера и активный стабилизатор с сервоприводом, гарантирующая качество изображения как для передачи, так и для распознавания образов и автоматического движения по заданным траекториям. Положение в пространстве определяет 9-осевой гироскоп. Беспроводная передача видеопотока и телеметрических данных организована по Wi-Fi-адаптеру. Конфигурируется как «на месте» с помощью встроенного сенсорного дисплея, так и удалённо с помощью беспроводной клавиатуры и тачпада. Питается от литий-ионного аккумулятора ёмкостью 8400 мА/ч, способного дать питание на несколько часов.

Плюсы
  • Микрокомпьютер в комплекте, что редкость для такого вида устройств и за такую стоимость.
  • Фирменные комплектующие высокого качества.
  • Основан на мощной платформе.
  • Будет интересен взрослым энтузиастам и профессионалам в робототехнике.
Минусы
  • Стоимость выше среднего.
  • Это не игрушка: предназначена не для всех, а лишь для профессионалов или взрослых энтузиастов.

Дроны и квадрокоптеры

В заключение, обязательно поговорим о летающих роботах — дронах. Этот вид летательных аппаратов вошел в нашу повседневную жизнь относительно недавно, с появлением широкодоступных высокооборотистых и высокомоментных миниатюрных электродвигателей, ёмких литий-ионных аккумуляторов и микрокомпьютеров. Военными дроны используются уже несколько десятилетий: они служат как разведывательными беспилотными машинами, так и носителями вооружения. В любительской практике наиболее применима только одна разновидность дронов. А именно квадрокоптеры (от греч. quatro — «четыре», англ. copter — вертолёт). Как ясно из названия, они имеют 4 электродвигателя с несущими винтами, управляемыми микроконтроллером или микрокомпьютером. Получая информацию от датчиков ускорения и положения в пространстве, они регулируют тягу электромоторов, гарантируя тем самым точность перемещения и стабильность высоты. Любительские квадрокоптеры снабжены видеокамерами и функцией дистанционной трансляцией видео и телеметрии. Их основным, не считая спортивного, применением стало визуальное наблюдение за территорией «с высоты птичьего полёта», фото и видеосъёмка труднодоступных мест (к примеру, лесная или горная местность), а также профессиональная художественная съёмка.

Профессиональный квадрокоптер с камерой, рамой QAV250 и аппаратурой радиоуправления FlySky FS-I6

Дрон с камерой

Этот летательный аппарат профи-класса, благодаря жёсткой раме, сделанной из углеродного волокна, высокомоментным фирменным трехфазным электродвигателям EMAX RS2205, имеющим тягу до 10 Ньютонов (1.024 кгс) каждый и командной аппаратуре дистанционного управления FlySky FS-I6, гарантирующей стабильную связь на расстоянии до 1 километра. В качестве бортового вычислительного центра выступает 32-разрядный микроконтроллер STM32. Квадрокоптер снабжен HD-видеокамерой и передающей аппаратурой Cyclone XF5804 PRO, рассчитанной на передачу видеопотока на двухкилометровую дистанцию. Видеоданные выводятся на шлем виртуальной реальности, входящий в комплект летательного аппарата. Квадрокоптер развивает скорость до 125 км/ч и способен находиться в воздухе около 10 минут.

Плюсы
  • Профессиональный летательный аппарат.
  • Рама из углеродного волокна.
  • Фирменные тяговые электродвигатели и командная аппаратура.
  • Качественная камера и видеопередающая аппаратура.
Минусы
  • Среднее время полёта (около 10 минут).

Погружаясь в мир робототехники с помощью одноплатных микрокомпьютеров и сборок на их основе, мы следуем путем, проложенным великими умами прошлого. В его истории множество вех: от фантастических зарисовок в произведениях писателей-фантастов XX века, таких как Карел Чапек и Айзек Азимов, до современных технологических революций.

Слова, которые придумали фантасты прошлого столетия, стали не просто частью нашего словаря, но и ключом к пониманию сущности робототехники. «Робот» и «робототехника» — эти понятия, заложенные ими, стали частью нашего бытия, а роботизированные устройства — помощниками во многих сферах жизни.

Как сказал Артур Кларк, один из величайших футурологов, «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». И с каждым новым шагом вперед мы приближаемся к волшебству. Сегодня мы стоим на плечах гигантов типа Билла Гейтса и Линуса Торвальдса, чьи слова о развитии технологий и открытости кода звучат как призыв к совершенствованию. Все они сделали вклад в создание технологической инфраструктуры, которая позволяет нам говорить о роботах, умных системах и искусственном интеллекте как о реальности, а не фантастике.

Сегодня Arduino, NVIDIA Jetson и их аналоги становятся мостом между нашими идеями и их воплощением. Они открывают двери для начинающих и профессионалов в мире робототехники, помогая каждому воплотить смелые проекты. Мы видим, что наша способность создавать и программировать их изменяет мир к лучшему, воплощая мечты фантастов прошлого и становясь архитекторами будущего.



Количество показов: 210
02.05.2024
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку