Сегодня сложно представить мир без роботов. Робототехника является эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования, математики. На сегодняшний день невозможно говорить о роботах и не затрагивать такое понятие, как искусственный интеллект. Эти два направления тесно связаны. Автором ранее была проведена работа по изучению нейронных сетей, а также возможности «роботизирования» некоторых аспектов человеческой жизни. Данная статья посвящена рассмотрению вопросов робототехники.
Ключевые слова: робототехника, программирование, искусственный интеллект.
Цель работы: изучить принципы построения роботовна основе платы ArduinoUno. Создать действующую модель робота-гонщика и разработать алгоритм его поведения.
Задачи работы:
- Изучить особенности построения роботов на базе плат Arduino и их модулей.
- Изучить особенности среды программирования роботов на базе платформы Arduino.
- Создать модель робота-гонщика. Разработать алгоритм движения робота на базе анализа входной информации.
- Проанализировать работу робота.
Введение. Основы робототехники на платформе Arduino
Построение роботов с использованием любой технологии подразумевает изучение принципов работы специальных микросхем, которые называются микроконтроллерами. Они предназначены для управления электронными устройствами и представляют собой однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Контроллер, являясь «уменьшенной копией» компьютера, содержит все присущие ему основные модули: центральный процессор, оперативную память, flash-память, внешние устройства.
Рис. 1. Структура микроконтроллера
Для построения роботов используются различные платформы. В рамках проводимого исследования для разработки робота-гонщика была выбрана платформа Arduino. Первый прототип Arduino был разработан в 2005 году программистом Массимо Банци. На сегодняшний день платформа Arduino представлена не одной платой, а целым их семейством. Такой подход позволяет собирать всевозможные электронные устройства, работающие работать как автономно, так и в связке с компьютером. ПлатыArduino представляют собой наборы, состоящие из готового электронного блока и программного обеспечения. Электронный блок — это печатная плата с установленным микроконтроллером. Фактически электронный блок Arduino является аналогом материнской платы компьютера. На нем имеются разъемы для подключения внешних устройств, а также разъем для связи с компьютером, по которому осуществляется программирование.
Самой популярной и наиболее универсальной платформой семейства является плата ArduinoUno. Она выполнена на базе процессора с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью 32кБ, два из которых выделено под загрузчик, позволяющий прошивать Arduino с обычного компьютера через USB. Также имеется 2 кБ SRAM-памяти, которые используются для хранения временных данных (это оперативная память платформы) и 1кБ EEPROM-памяти для долговременного хранения данных (аналог жёсткого диска).
На платформе расположены 14 контактов, которые могут быть использованы для цифрового ввода и вывода. Какую роль исполняет каждый контакт, зависит от программы. Некоторые контакты обладают дополнительными ролями. Например, Serial 0-й и 1-й — используются для приёма и передачи данных по USB; LED 13-й — к этому контакту подключен встроенный в плату светодиод. Также имеется 6 контактов аналогового ввода и входной контакт Reset для сброса.
Рис. 2. Плата ArduinoUno
Отличительной особенностью Arduino является наличие плат расширения, так называемых, «шилдов». Это дополнительные платы, которые ставятся подобно «слоям бутерброда» поверх Arduino, чтобы дать ему новые возможности. Shield подключаются к Arduino с помощью имеющихся на них штыревых разъемов. Рассмотрим подробнее Shield, которые использовались при проведении исследования:
‒ MotorShield — обеспечивает управление двигателями постоянного тока. Выводы микроконтроллера являются слаботочными, поэтому ток мотора, при подключении его напрямую, выведет их из строя. Эту проблему решает так называемый H-мост. Он позволяет управлять скоростью и направлением вращения мотора.
‒ TroykaShield — помогает подключать большое количество периферии вроде сенсоров через стандартные 3-проводные шлейфы. Для принятия решения о направлении дальнейшего движения разрабатываемого робота использовались цифровые датчики линии, подключаемые к данному «шилду». Эти датчики позволяют определять цвет поверхности около него. Выходом является простой цифровой сигнал: логический 0 или 1 в зависимости от цвета, который он видит перед собой. Единица — чёрный или пустота, ноль — не чёрный.
Рис. 3. Motor Shield и Troyka Shield
Разработка приложений на базе плат Arduino осуществляется в специальной среде программирования Arduino IDE. Среда предназначена для написания и загрузки собственных программ в память микроконтроллера. Среда разработки Arduino состоит из редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста, панели инструментов и панели меню.
Базовая структура программы для Arduino состоит из двух обязательных частей: функций setup() и loop(). Перед функцией setup() идет объявление переменных, подключение вспомогательных библиотек. Функция setup() запускается один раз после каждого включения питания или сброса платы. Она используется для инициализации переменных, установки режима работы портов и т. д. Функция loop() в бесконечном цикле последовательно исполняет описанные команды. Для взаимодействия с различными устройствами, для обеспечения ввода и вывода используются специализированные процедуры и функции.
Сборка робота-гонщика на платформе Arduino
Рассмотрим практическую часть проекта — создание робота гонщика. Для этого использовались плата ArduinoUno, «шилды», описанные выше, датчики линии, микромоторы с редуктором, колеса, балансировочные шары. Процесс построения модели робота можно разделить на несколько этапов.
Этап I. Сборка платформы. Вначале необходимо собрать основу робота — подвижную платформу. Колеса крепятся к моторам, а затем к установочной платформе. Для поддержания равновесия платформы используются балансировочные шары. Один устанавливается снизу с тыльной стороны платформы. Этот шар играет роль третьего колеса и опоры одновременно. Второй шар, при необходимости, может быть использован в качестве балласта. Датчики линии устанавливаются спереди платформы.
Этап II. Установка платы Arduino и подключение моторов. Плата ArduinoUno крепится с тыльной стороны. Такое расположение позволит обеспечить корректное расположение платформы при движении. Сверху на плату устанавливается MotorShield, к которому подключаются моторы.
Этап III. Установка TroykaShield и подключение датчиков. Следующий «шилд» устанавливается поверх предыдущего, образуя своеобразный «бутерброд». Цифровые датчики линии подключается к 8 и 9 контактам «шилда»
Этап IV. Балансировка. На заключительном этапе сборки необходимо закрепить провода на платформе, чтобы они не мешали движению робота. Также можно установить дополнительные балансировочные шары, учитывая при этом вес всех плат и батареи.
Рис. 4. Робот гонщик в сборке
Разработка алгоритма поведения робота
Далее необходимо разработать алгоритм движения робота на основании показаний датчиков. Основная идея заключается в следующем. Пусть у нас есть белое поле и на нём чёрным нарисован «дорога» для робота (трек). Используемые датчики линии выдают логический ноль, когда «видят» чёрное и единицу, когда «видят» белое. На прямой робот должен пропускать трек между сенсоров, т. е. оба сенсора должны показывать «1». При повороте траектории направо правый сенсор наезжает на трек и начинает показывать логический ноль. При повороте налево ноль показывает левый сенсор.
При тестировании робота возникла проблема инертности, а именно: робот вылетает с трека, не успевая отреагировать на поворот. Это связано с тем, что моторчики не умеют тормозить мгновенно. Решить эту проблему можно следующим образом. После того, как сенсоры улавливают поворот, нужно остановиться и вернуться назад на некоторое расстояние, зависящее от скорости перед остановкой. Таким образом, необходимо найти зависимость пройденного расстояния при заднем ходе от времени. Для этого была проведена серия тестовых заездов. В результате анализа полученных данных такая зависимость была найдена. Это позволило вычислить, какое расстояния необходимо проехать роботу назад, исходя из величины скорости перед остановкой.
Однако, роботу не обязательно останавливаться перед каждым поворотом — на маленькой скорости он прекрасно вписывается в поворот и без дополнительных действий. Кроме того, чтобы ускорить процесс поворота, «сдавать назад» можно не по прямой, а под некоторым углом. Также необходимо различать состояния робота — когда он движется по прямой, а когда входит в поворот. В первом случае можно увеличивать скорость робота для более динамичного прохождения трека, во втором — сбрасывать скорость до значения, достаточного для успешного прохождения поворота.
Рис. 5. Поиск зависимости пройденного расстояния при заднем ходе от времени
Перечисленные положения стали основой для разработки усовершенствованного алгоритма поведения робота.
Заключение
В данном исследовании были рассмотрены основы проектирования роботов на базе платформ семейства Arduino, а также построена действующая модель робота на основе платы ArduinoUno. В ходе тестирования были выявлены и устранены некоторые недостатки как технической части, так и алгоритма движения. Полученная модель способная корректно воспринимать поступающую информацию о местонахождении робота и, анализируя ситуацию, принимать решение о дальнейшем движении. Существует несколько направлений модификации данной модели:
‒ Можно поэкспериментировать с системой грузов и добиться идеального равновесия.
‒ Расположение и количество сенсоров также являются значительными параметрами в данной конструкции. От этого напрямую зависит не только та скорость, с которой робот будет реагировать на повороты, но и конструкции треков, по которым он сможет корректно передвигаться.
Однако наиболее актуальным и оптимальным решением может стать использование нейросетей. С их помощью робот, несколько раз неудачно пройдя поворот, обучится и не повторит такой ошибки в следующий раз. Это будет работать и с другими действиями, совершаемыми роботом, что позволит, со временем, создать идеально приспособленного к любым трассам гонщика.
Работа по изучению и применению на практике полученных результатов данного исследования будет продолжена. В дальнейшем планируется расширить полученные знания и предпринять попытку построить самообучающегося робота, что позволит решить некоторые проблемы, рассмотренные в рамках данного исследования.
Литература:
- Блум Д. Изучаем Arduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
- Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2014.
- Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012.
- Терехов С. А. Лекции по теории и приложениям искусственных нейронных сетей. — Снежинск: ВНИИТФ, 2003.
- Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика. — М.: Мир, 1992.
- Амперка. Вики [Электронный ресурс].
- URL: http://wiki.amperka.ru/ (Дата обращения: 3.10.2015г.)
- Информационный портал RoboCraft [Электронный ресурс].
- URL:http://robocraft.ru/page/summary (Дата обращения: 12.11.2015г.)
- Информационный портал Arduino.ru [Электронный ресурс].
- URL:http://arduino.ru/ (Дата обращения: 14.11.2015г.)
