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.
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.
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.
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
- Имеет значительно большую производительность, чем предыдущие модели.
- Наличие портов USB 3.0.
- Видеовыход с разрешением до 4K по интерфейсу HDMI с поддержкой двухдисплейного режима.
- Цена выше, чем у альтернативных решений.
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.
- Производительность GPU.
- Узкая ориентация на специализированные многоядерные вычисления и ИИ, и потому высокая производительность в рамках этой специализации.
- Высокая цена, обусловленная ориентацией на профессиональное применение.
Готовые наборы
Как и с Arduino-совместимыми платами, некоторые микрокомпьютеры тоже комплектуются дополнительными модулями. Рассмотрим основные решения.
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.
- Хорошая комплектация, причём недорого.
- Надёжные комплектующие.
- Для полноценного старта не хватает исполнительных механизмов, таких как сервоприводы и шаговые моторы. Их придётся покупать отдельно.
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.
- Недорогой, при этом отлично укомплектован.
- Качественные комплектующие.
- 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.
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.
- 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.
- Отсутствуют.
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.
- 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.
- Отсутствуют.
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.
- Интересный и недорогой проект.
- Фирменный высококачественные сервоприводы.
- Базируется на мощном высокопроизводительном микроконтроллере.
- Для взрослых и детей.
- АКБ и ЗУ в комплекте.
- Цена выше средней.
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.
- 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.
- Стоимость выше среднего.
- Поставляется почти полностью собранным и не содержит руководства по сборке.
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.
- 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.
- 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
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.
- Профессиональный летательный аппарат.
- Рама из углеродного волокна.
- Фирменные тяговые электродвигатели и командная аппаратура.
- Качественная камера и видеопередающая аппаратура.
- 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.
