Programování robotů: jazyky a metody programování robotiky

Robot je technika, která provádí lidské příkazy pomocí nahraného softwaru. Chytré stroje se používají v různých oblastech: v průmyslu, medicíně, každodenním životě, stavebnictví, vesmíru a dalších oblastech. Provádějí komplexní práci, která vyžaduje velkou sílu nebo vysokou přesnost, což člověku usnadňuje práci a umožňuje mu další rozvoj. Pojďme se podívat na to, co potřebujete vědět pro programování, jaké úrovně a jazyky jsou k dispozici a kde se používá robotický software.

Strojový kód a potřeba programovacích jazyků

Veškerá robotika rozumí příkazům ve svém vlastním jazyce, což je strojový kód sestávající ze znaků binárního systému. Každá technika používá svůj vlastní strojový jazyk. Pro člověka je téměř nemožné tomu porozumět, protože je velmi složitý. V tomto ohledu je program pro roboty napsán pomocí jiných strojových kódů, které jsou pro člověka jednoduché. Jak potom robot rozumí softwaru, který je v něm vložený? To se děje podle následujícího schématu:

• Specialista sestaví akční algoritmus pro robota v programovacím jazyce, aby zařízení provedlo přiřazené akce.
• Tento algoritmus jde do „překladače“, který jej převede do strojových kódů. Nejčastěji se používají kompilátory, které převádějí algoritmus do binárního kódu v jediném souboru. Existují také překladatelé, kteří také transformují algoritmus do jazyka srozumitelného pro robota a tlumočníky, překládají kód postupně, řádek po řádku. Výběr překladatele závisí na jazyku.
• Z „překladače“ program vstupuje do „mozku“ technologie ve formě, která je pro něj srozumitelná. „Mozkem“ robota může být čip, obvod nebo počítač.

Abychom lépe pochopili, jak obvod funguje, uveďme příklad. Ruština je kompilovaný algoritmus, francouzština je binární systém a překladač je kompilátor. Ukazuje se, že mluvený výraz v ruštině jde do „překladače“ a odtud vychází fráze ve francouzštině, která je pro Francouze srozumitelná.

<img src=”https://educube.ru/upload/webp/medialibrary/3a5/x304127s8vf3fs9dr53gmxipcw82maxc.webp” />

Nízkoúrovňové a vysokoúrovňové programovací jazyky

Aby robot mohl vykonávat funkce, pro které byl vytvořen, je do jeho „mozku“ nahrán příslušný software. Protože technologie nerozpoznává lidskou řeč, používají se specializované strojové šifry. V současné době existuje více než 100 programovacích jazyků pro roboty, které se konvenčně dělí na nízkoúrovňové a vysokoúrovňové.

Byly vytvořeny v padesátých letech dvacátého století, aby usnadnily proces kompilace softwaru. Nízkoúrovňové dnes neztratily svůj význam. Používají se k ovládání strojů, které pracují pod přísnou kontrolou a provádějí jednoduché úkoly.

Jazyk má nevýhody – pro technologii různých konstrukcí je třeba vytvořit různé programy, aby mohly vykonávat stejné funkce (například uchopení kybernetické paže a robota bagru rukou), a pokud při vytváření algoritmu došlo k chybě , je velmi obtížné (téměř nemožné) jej odhalit. Mezi výhody patří vysoký výkon robotů a nízká hmotnost softwaru.

Nízkoúrovňové se dělí na strojní a montážní:

• Stroj. Je to binární jazyk složený z jedniček a nul. Je velmi obtížné vytvořit takový program, protože se můžete rychle zmást. V tomto ohledu se používá zřídka. Výhodou této metody programování robotů je, že při použití algoritmu není potřeba „překladač“. Algoritmus zároveň zabírá málo paměti a stroj provádí akce s vysokou přesností.
• Assembler. Při programování se používá nejen binární systém, ale také anglická písmena, která jsou obdobou zkrácených slov. Při programování v assembleru robot také provádí všechny akce s vysokou přesností, je však nutné použít „překladač“.

Který nízkoúrovňový jazyk se má použít, se vybírá s ohledem na to, jaký program je třeba nainstalovat do robota a kolik má paměti.

Týkají se moderního programování. Mezi výhody jazyka patří snadná kompilace algoritmu, který je vhodný pro roboty různých značek, a také pokud došlo k chybě v programování, lze ji snadno najít a opravit. Nevýhodou takového jazyka je jeho velká hmotnost, vyžaduje tedy vybavení s velkým množstvím paměti a ke spuštění se používá „překladač“ další nevýhodou je nízká přesnost provádění příkazů (přerušení provozu nebo délka; čas potřebný k načtení programu).

Seznam jazyků na vysoké úrovni zahrnuje:

• imperativ;
• předmětově zaměřený;
• objektově orientovaný.

Každou z nich podrobněji zvážíme v dalším odstavci. Dále uvádíme výhody a nevýhody programovacího jazyka robotů na vysoké úrovni.

Kromě nízké a vysoké úrovně existují manipulační a operativní úrovně. V prvním případě stroj provádí úkol od začátku do konce sám. Například zvedání nákladu a jeho přesun do auta. Na druhé úrovni zařízení provádí příkazy zadané operátorem a provádí je postupně. Zvažme podobný příklad. Na první příkaz zařízení uchopí břemeno, poté jej zvedne, třetí příkaz přesune břemeno ke stroji a poslední příkaz uvolní břemeno a ponechá jej ve stroji.

<img src=”https://educube.ru/upload/webp/medialibrary/e47/3fym8zt6h1ryszjfm3t51iyf24tupj1t.webp” />

Základní programovací jazyky v robotice

Jak již bylo zjištěno, bylo vyvinuto více než 100 programovacích jazyků pro roboty, zvažme ty nejoblíbenější:

• Jáva. Používá se k vytváření aplikací na jakékoli platformě. V robotice se používá k vývoji algoritmů pro řízení složitých zařízení. Používá se také při výuce programování robotů. Hlavní výhody Javy jsou v tom, že kódy jsou vhodné pro zařízení s různým designem a Java má také velké množství nástrojů pro tvorbu webových stránek, internetových obchodů atp. Nevýhodou je nízký výkon.
• MATLAB. Programovací jazyk se používá k vytváření algoritmů pro matematické výpočty. V robotice se MATLAB používá k vytváření programů pro modelování a analýzu informací a také pro řízení signálů. Díky přítomnosti výkonných nástrojů je vhodný pro matematická řešení vysoké složitosti. MATLAB se integruje s jakýmkoli hardwarem a je vhodný pro programování složitých systémů. S jeho pomocí bylo vyvinuto mnoho algoritmů pro roboty. Nevýhodou je vysoká cena za licenci.
• Krajta. Jeden z populárních programovacích jazyků. Jeho hlavní výhodou je snadné učení a sestavení algoritmu akcí, takže se doporučuje pro začátečníky a je také vhodný pro všechny platformy a umožňuje vyrábět levné, ale produktivní roboty. Jazyk se používá k psaní skriptů, ovládání senzorů a programů pro školení (například robotika), testování nebo vývoj nových technologií. Nevýhodou je nízký výkon.
• C a C++. Nejvýkonnější programovací jazyk pro roboty s vysokým výkonem a řízením zdrojů. V robotice se s využitím jazyka C++ používají nízkoúrovňové technologie, se kterými stroj provádí akce s vysokou přesností a účinností. Jazyk píše kódy, které umožňují maximálně využít programové prostředky, což je u technologie s nízkým výpočetním výkonem nezbytné. C++ se používá k vytváření ovladačů a vestavěných aplikací. Nevýhodou je, že se obtížně používá. Rozdíl mezi C a C++ je v tom, že první je základem a druhý je vylepšený jazyk C.
• Poškrábat. Oblíbené u začátečníků ve věku 8-16 let (využívá se v kroužcích robotiky). Při sestavování programu se bloky spojují přetažením.
• C#. jazyk Microsoft. Používá se k vytváření neuronových sítí v robotice.
• Pascal. Nejstarší programovací jazyk, při psaní algoritmů pro roboty se používá jen zřídka. Jeho výhodou je snadné programování. Vhodné pro začátečníky, kteří nejsou obeznámeni s algoritmy jako úvod do programování.
• LISP. Jeden z prvních programovacích jazyků. Používá se zřídka, ale používá se při vytváření umělé inteligence a ROS. Nevýhodou je, že se obtížně používá.

Kromě programovacích jazyků existují frameworky – sada nástrojů pro tvorbu webových stránek a programů pro roboty. Nejoblíbenější z nich je ROS (v překladu robotické operační systémy). Urychluje proces zápisu algoritmů díky dostupnosti hotových balíčků. Framework podporuje jazyky C++ a Python. Nevýhodou je, že se obtížně používá.

Role vývojového prostředí a hardwaru

Při programování robotů je třeba počítat s tím, že existuje nejen mnoho jazyků, ale i prostředí, která se dělí na dvě základní skupiny: vizuální – používají se grafické obrázky a testovací – algoritmus je kompilován do textových souborů. Softwarová prostředí se také dělí podle univerzálnosti, to znamená, že jsou vhodná pro roboty pouze s jedním designem nebo s jiným. Dále se podívejme na oblíbené typy programovacích prostředí:

• NXT-G. Vizuální prostředí, ve kterém se řídicí program skládá z vývojových diagramů. V jakém pořadí jsou umístěny, technika provádí akce. Byl vyvinut společností Lego speciálně pro robotickou stavebnici Mindstorms NXT. Prostředí se vyznačuje jednoduchým a intuitivním rozhraním a je kombinováno s platformou ev3.
• TrikStudio. Kombinované prostředí, používá textové soubory a grafické obrázky. Používá se k testování zařízení od Trik.
• MRDS. Vizuální prostředí skládající se z programovacího jazyka VPL, který se stále častěji používá k výuce začátečníků programovat roboty. Specialisté jsou profesionálové a používají primárně jazyk C#. Při sestavování algoritmu se vyberou grafické obrázky a vytvoří se mezi nimi spojení.
• RobotC. Textové prostředí je považováno za jeden z nejlepších způsobů programování robotů pro začátečníky. Používá se při přípravě na turnaje v této oblasti. Při tvorbě algoritmu je použit jazyk C, který je uznáván jako nejjednodušší, nevýhodou prostředí je placený software.
• BricxCC. Textové prostředí, které používá k programování jazyk NXC. Vyniká přítomností velkého množství nástrojů a možností používat bloky Lego Mindstorms. Při sestavování algoritmů existují nízkoúrovňové a vysokoúrovňové programovací jazyky, které vám umožňují vyvíjet algoritmy pro roboty pro různé účely.
• Arduino. Textové prostředí slouží nejen k programování robotů, ale také k blikání kódů ovladačů. Vyniká jednoduchým rozhraním, srozumitelným i pro začátečníky.

Při výběru prostředí a programovacího jazyka se berou v úvahu hlavní kritéria, z nichž prvním je rychlost akcí robota po nahrání algoritmu do něj a velikost jeho paměti. Pokud je potřeba vysoká rychlost a zařízení má malou paměť, pak se používají jazyky nízké úrovně, v případě, že robot musí provádět mnoho různých příkazů, pak se používají jazyky vysoké úrovně.

Bere také v úvahu, kolik času je věnováno vytvoření programu. Při kompilaci algoritmu pomocí nízkoúrovňových jazyků to zabere spoustu času, a pokud dojde k chybě, bude velmi obtížné ji najít. Při použití jazyků na vysoké úrovni zabere programování málo času, ale je třeba vzít v úvahu, že rychlost provádění příkazů robotem může být pomalejší, protože při používání jazyků na vysoké úrovni se používá „překladač“, takže data zpracování zabere čas. Robot může zamrznout a někdy dochází k problémům s plněním úkolů.

Volbu jazyka ovlivňuje i to, na koho je naprogramovaný robot zaměřen. Jeho úkolem může být práce s vybavením nebo lidmi. Ve druhém případě jsou algoritmy složitější, protože je potřeba grafika (zařízení komunikuje s osobou pomocí obrázků, například zobrazuje obrázek nebo text na monitoru) a grafika se skládá ze složitých a objemných programů.

Dalším kritériem je požadovaná všestrannost programování. Je určen pro roboty stejné konstrukce od jednoho výrobce nebo pro různá zařízení od různých firem. V prvním případě se používají jazyky nízké úrovně a ve druhém jazyky vysoké úrovně.

A posledním parametrem pro výběr programovacího jazyka je, jak rychle lze provádět změny a jakou rychlostí probíhá testování. Pro roboty, které jsou neustále aktualizovány, vyberte jazyky, ve kterých lze rychle provádět změny a poté je testovat vysokou rychlostí. Patří mezi ně ty na vysoké úrovni.

Podle uvažovaných kritérií a prostředí je nejoblíbenějším nízkoúrovňovým jazykem assembler a pro jazyky vysoké úrovně je to C++.

<img src=”https://educube.ru/upload/webp/medialibrary/199/s9p27y8hn64mwqe415q5v35huqd0dudq.webp” />

Praktická aplikace jazyků v robotice

Uvažované softwarové jazyky a prostředí se používají k vytvoření následujících typů robotů:

• Umělá inteligence, která je v současné době široce rozvíjena. Pomáhá technologii rozhodovat se nezávisle, učit se a rychle se přizpůsobovat.
• Počítačové vidění. Tento program umožňuje robotům vidět, rozpoznávat předměty a detekovat emoce. Toho je dosaženo pomocí vestavěných kamer a senzorů.
• Řeč. Nové modely robotů lze komunikovat bez zadávání příkazů prostřednictvím počítače, rozumí řeči, což usnadňuje jejich ovládání.
• Vnímání vnějšího světa. Nové modely jsou vybaveny senzory, které jim pomáhají hmatově rozpoznat svět prostřednictvím senzorů. Díky tomu může technologie provádět složité příkazy.

Existují také jednoduché modely, například průmyslové, lékařské, domácí atd. Jejich hlavní rozdíl od uvažovaných příkladů je v tom, že vykonávají práci po obdržení příkazu z počítače, který zadá operátor.

Školení programování robotů

Kurzy a lekce o vytváření algoritmu akcí se provádějí podle plánu, který závisí na technologii, pro kterou je vytvořen, takže existuje mnoho metod výuky, ale existují obecná doporučení. Odborníci radí, abyste si při kompilaci kódů vytvořili vlastní knihovnu, ve které budou uloženy často používané nástroje. To v budoucnu výrazně ušetří čas.

Po zkompilování strojového kódu zanechte poznámky o jeho účelu. A po jeho dokončení napište nový text. V budoucnu vám to pomůže rychle najít chybu, pokud dojde k selhání. Po dokončení programu se před zapnutím naprogramovaného robota ujistěte, že tlačítko pro jeho vypnutí je v dosahu, takže v případě chyby v programu lze zařízení rychle vypnout, než se samo poškodí.

Abyste se plně naučili programování, potřebujete nejen počítač s oblíbenými jazyky pro vytváření algoritmů, ale také vybavení. Společnost educube 3 nabízí ke koupi stavebnice pro programování robotů. Stránka představuje širokou škálu originálních produktů Lego pro začátečníky všech věkových kategorií. Nákup robotů je jednoduchý – vyberte produkt, přidejte jej do košíku a poté za něj zaplatíte (zákazníci z Moskvy mohou provést platbu po obdržení objednávky od kurýra) jakýmkoli bezhotovostním způsobem. Dále vaši objednávku doručíme kamkoli v Rusku. Pokud se vyskytnou nějaké potíže, manažer zodpoví všechny otázky.

Zdroje:

• Arkhipova TV Programování robotů.
• Katyshkov R.S., Misko N.V. Programování robotů. – 2023.
• Ponarina A. A. Programování robotů. – 2023.