Что такое робот? Чувствует, думает, действует

Робот — это машина, которая снова и снова делает три вещи. Он чувствует, что происходит вокруг. Он думает, то есть решает, что делать. Затем он действует: движется или что-то меняет. А после этого снова чувствует, потому что мир вокруг уже изменился. Инженеры-робототехники называют это циклом «чувствовать — думать — действовать».

У игрушечной машинки на пульте управления есть моторы и батарейка. Но чувствует и думает за неё человек. Дайте машинке датчик и маленький компьютер — и она сможет сама принимать решения. Это и есть шаг от машины к роботу.

#Робот-машина: кто чувствует, кто думает, кто действует

Все роботы на этом сайте устроены одинаково: это робот-машина CoreEngine. У каждой её детали одна главная задача.

#Чувствовать

HC-SR04 посылает короткий ультразвуковой сигнал — такой высокий, что человек его не слышит. Затем датчик ждёт и слушает эхо. Чем дольше эхо идёт обратно, тем дальше предмет. Датчик не знает, что это за предмет. Он знает только, как далеко тот находится.

У других роботов другие датчики. Датчик линии видит чёрную линию на белом полу, а кнопка может почувствовать столкновение. Два датчика линии помогают роботу, который едет по линии, держаться трассы.

#Думать

Arduino Uno читает показания датчика и выполняет ваш скетч — программу, которую вы написали. В скетче записаны правила робота, например: «Если что-то ближе 25 см, сверни в сторону». Uno проверяет эти правила много раз в секунду.

#Действовать

Пины Uno выдают только слабые сигналы — около 20 мА каждый. Мотору TT нужно около 0,3 А, когда он везёт робота, и примерно до 1 А, когда он заблокирован. Поэтому Uno посылает свои сигналы драйверу моторов L298N. А L298N подаёт ток батареи на моторы так, чтобы они крутились вперёд или назад, быстро или медленно.

У робота нет руля. Он поворачивает с помощью двух ведущих колёс:

• Оба колеса крутятся вперёд с одинаковой скоростью — робот едет прямо.
• Одно колесо крутится быстрее другого — робот едет по дуге.
• Одно колесо крутится вперёд, а другое назад — робот разворачивается на месте.

#Питание

Без энергии ничего не работает. Четыре батарейки AA дают около 6 В. Моторы получают это питание через L298N. Кроме того, у L298N есть небольшой стабилизатор на 5 В. Его выход 5 В питает Uno и датчик.

#Один проход цикла

Как работает этот цикл, хорошо видно на роботе, объезжающем препятствия. В его скетче такие числа:

1. Чувствовать: измерять расстояние каждые 60 мс, то есть примерно 16 раз в секунду.
2. Думать: предмет ближе 25 см?
3. Действовать: если нет, ехать вперёд со скоростью 190 (шкала — от 0 до 255). Если ближе, 300 мс ехать назад со скоростью 160, 380 мс разворачиваться вправо со скоростью 170, а затем снова ехать вперёд.

Потом цикл начинается заново, с нового измерения. Робот ни на миг не перестаёт чувствовать — даже когда едет назад и поворачивает. Как скетч этого добивается, показывает урок Программы, которые никогда не ждут.

#Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер — это целый маленький компьютер в одной микросхеме. В нём есть процессор, память для программы, память для данных и пины, которые связывают его с внешним миром. Микроконтроллеры есть во многих вещах вокруг вас: в стиральной машине, в микроволновой печи, в пульте от телевизора, в автомобиле.

Микроконтроллер платы Uno — ATmega328P:

У ноутбука памяти в миллионы раз больше. Но плате Uno столько и не нужно: у неё нет ни экрана, ни клавиатуры, ни операционной системы. Она выполняет одну программу — ваш скетч — сразу, как только получает питание.

Программу для платы Arduino называют скетчем. Вы пишете его на C++ в Arduino IDE. Когда вы нажимаете «Загрузить», IDE компилирует скетч в машинный код и записывает его во флеш-память.

Пины связывают скетч с внешним миром. Пин, работающий как выход, выдаёт около 5 В (HIGH) или 0 В (LOW) — например, чтобы включать и выключать светодиод. Пин, работающий как вход, сообщает скетчу, высокое на нём напряжение или низкое. Так скетч получает, например, сигнал от датчика. Подробно о пинах рассказывает урок Arduino Uno: пины и ваша первая программа.

#Что делает симулятор

CoreEngine — это симулятор роботов для Windows. В нём вы собираете робота из тех же деталей, из которых состоит настоящая робот-машина, и испытываете его, прежде чем собрать по-настоящему.

• Сборка. Вы делаете корпус из фигур и ставите на него модели настоящих деталей: Arduino Uno, L298N, HC-SR04, моторы TT, батарейный отсек, шаровую опору, сервопривод SG90 и модуль светодиода.
• Подключение. Вы соединяете детали пин к пину, как на настоящем роботе.
• Проверка. Симулятор проверяет ваше подключение. Например, он сообщает, если нет батареи, если у драйвера моторов нет питания, если нет общей земли (GND) или если батарея подключена к пину 5V платы Uno. Последняя ошибка сжигает настоящую плату.
• Код. Вы пишете скетч во встроенной Arduino IDE с кнопками «Проверить» и «Загрузить».
• Запуск. Ваш скетч компилируется с помощью arduino-cli — у него тот же компилятор, что и у Arduino IDE. Затем машинный код выполняется на эмулированном ATmega328P, то есть на программе, которая ведёт себя как настоящий чип. Выполняется та самая программа, которую выполняла бы настоящая Uno, а не упрощённая копия.
• Испытание. Робот ездит по арене с физикой. Вы видите в реальном времени показания расстояния, моторов и батареи, монитор порта (Serial Monitor) с сообщениями вашего скетча и журнал событий.

На столе в Гараже Uno работает от USB ноутбука, и светодиоды загораются. Поэтому проекты со светодиодами можно пробовать без батареи.

Симулятор не заменяет настоящие детали. Он помогает быстро проверять идеи и находить ошибки раньше, чем из-за них испортится деталь.

#Как пользоваться сайтом

Эти шаги можно повторять сколько угодно. Каждая новая идея снова начинается с шага 1 или шага 2.

#Попробуйте прямо сейчас

Откройте робота, объезжающего препятствия, и посмотрите, как он чувствует, думает и действует.

Что вы увидите:

• Робот едет прямо вперёд.
• Когда стена приближается, расстояние на панели показаний в реальном времени уменьшается.
• Когда расстояние становится меньше 25 см, робот ненадолго отъезжает назад, разворачивается вправо и едет дальше.
• Монитор порта выводит новое расстояние примерно каждые 60 мс, даже пока робот поворачивает.

#Что дальше

1. Arduino Uno: пины и ваша первая программа, затем проект Blink.
2. Моторы и драйвер L298N, затем проект «Первый заезд».
3. Измеряем расстояние с помощью HC-SR04.
4. Программы, которые никогда не ждут: millis() и состояния, затем робот, объезжающий препятствия.
5. Робот, который держит дистанцию и едет за вашей рукой.