Программирование роботов: языки и методы

Робот — это техника, выполняющая команды человека за счет загруженного ПО. Умные машины используют в различных сферах: в промышленности, медицине, быту, строительстве, космосе и в других областях. Они выполняют сложные работы, требующие большой силы или высокой точности, облегчая труд человеку и позволяя развиваться дальше. Рассмотрим, что нужно знать для программирования, какие есть уровни и языки, а также где применяются ПО для робототехники.

Машинный код и необходимость языков программирования

Вся робототехника понимает команды на своем языке, который представляет собой машинный код, состоящий из знаков бинарной системы. Для каждой техники используется «свой» машинный язык. Человеку понять его практически невозможно, так как он очень сложный. В связи с этим программа для роботов пишется с использованием других машинных кодов, простых для человека. Как же тогда робот понимает ПО, заложенное в него? Происходит это по следующей схеме:

• Специалист составляет алгоритм действия для робота на языке программирования для выполнения техникой поставленных действий.
• Этот алгоритм поступает в «переводчик», которая переводит его в машинные коды. Чаще всего используют компиляторы, они переводят алгоритм в бинарный код единым файлом. Также есть трансляторы, которые тоже преобразуют алгоритм в язык понятный роботу и интерпретаторы, они переводят код постепенно, строку за строкой. Выбор переводчика зависит от языка.
• От «переводчика» программа поступает в «мозг» технике в понятном для нее виде. В качестве «мозга» у робота может быть: чип, схема или компьютер.

Чтобы облегчить процесс восприятия как работает схема, приведем пример. Русский язык — это составленный алгоритм, французский — это бинарная система, а переводчик — это компилятор. Получается сказанное выражение на русском поступает в «переводчик» и оттуда выходит фраза на французском языке, который понятен французу.

Низкоуровневые и высокоуровневые языки программирования

Чтобы робот выполнял функции, для которых его создали, в его «мозг» загружают соответствующее программное обеспечение. Так как техника не распознает человеческую речь, используют специализированные машинные шифры. В настоящее время существует более 100 языков программирования роботов, которые условно разделяют на низкоуровневые и высокоуровневые.

Низкоуровневые

Они созданы в пятидесятых годах двадцатого века для облегчения процесса составления программного обеспечения. Низкоуровневые не потеряли свою актуальность и сегодня. Их используют для управления машинами, которые функционируют под строгим контролем и выполняют простые задачи.

У языка есть недостатки — к технике разной конструкции для выполнения одинаковых функции нужно создавать разные программы (например, захват кистью киберруки и робота экскаватора), а в случае, если при создании алгоритма была допущена ошибка, обнаружить ее очень сложно (практически невозможно). К плюсам относят высокую производительность роботов и малый вес программного обеспечения.

Низкоуровневые разделяются на машинный и ассемблера:

• Машинный. Это бинарный язык, состоящий из единиц и нулей. Составлять такую программу очень сложно, так как можно быстро запутаться. В связи с этим его применяют редко. Плюсом такого способа программирования роботов является то, что при использовании алгоритма «переводчик» не требуется. При этом алгоритм занимает мало памяти, а машина выполняет действия с высокой точностью.
• Ассемблера. При программировании используется не только бинарная система, но и английские буквы, которые схожи с сокращенными словами. При использовании программирования ассемблера робот также все действия выполняет с высокой точностью, но необходимо использовать «переводчик».

Какой низкоуровневый язык использовать, выбирается с учетом того, какую программу нужно заложить в робота и сколько у него памяти.

Высокоуровневые

Они относятся к современному программированию. К плюсам языка относят — простота составления алгоритма, который подходит для роботов разных марок, а также в случае, если в программировании была допущена ошибка, ее легко найти и устранить. Минусом такого языка является большой вес, поэтому требуется техника с большим объемом памяти, а также для запуска используется «переводчик», еще один недостаток — невысокая точность выполнения команд (перебои в работе или длительность загрузки программы).

В список высокоуровневых языков входят:

• императивные;
• предметно-ориентированные;
• объектно-ориентированные.

Более подробно каждый из них рассмотрим в следующем пункте. Далее перечислим плюсы и минусы высокоуровневого языка программирования роботов.

Кроме низкоуровневых и высокоуровневых есть манипулятивный и оперативный уровни. В первом случае машина выполняет поставленную задачу от начала до конца самостоятельно. Например, поднять груз и переместить его в машину. При втором уровне техника выполняет команды, которые задает оператор и осуществляет их последовательно. Рассмотрим аналогичный пример. По первой команде техника захватывает груз, дальше ее поднимает, третья команда — перемещение груза до машины и последняя, отпускает груз оставляя его в машине.

Основные языки программирования в робототехнике

Как уже было выяснено, разработано более 100 языков программирования роботов рассмотрим самые популярные:

• Java. Используется для создания приложений любых платформ. В робототехнике его применяют при составлении алгоритмов для управления сложной техникой. Также его используют при обучении программированию роботов. Основные преимущества Java заключается в том, что коды подходят для устройств с различной конструкцией, а также у Java большое количество инструментов для составления сайтов, интернет-магазинов и т.д. Минус — низкая производительность.
• MATLAB. Программный язык применяют при создании алгоритмов для математических вычислений. В робототехнике с помощью MATLAB создают программы для моделирования и анализа информации, а также для управления сигналами. Благодаря наличию мощных инструментов подходит для математических решений высокой сложности. MATLAB интегрирует с любыми аппаратными обеспечениями и подходит для программирования сложных систем. С его использованием было разработано много алгоритмов для роботов. Минус — большая цена за лицензию.
• Python. Один из популярных языков программирования. Его основное преимущество — простота изучения и составления алгоритма действий, поэтому его рекомендуют новичкам, а также он подходит для всех платформ и позволяет делать бюджетных, но производительных роботов. Язык используют при составлении скриптов, управления датчиками и программ для обучения (например, робототехники), тестирования или разработки новых технологий. Минус — малая производительность.
• C и C++. Самый мощный язык программирования роботов выделяющийся большой производительностью и надзором над ресурсами. В робототехнике с помощью языка C++ используют низкоуровневые с которой машина выполняет действия с высокой точностью и результативностью. Язык пишет коды позволяющие использовать ресурсы программы по максимуму, что необходимо технике с низкой вычислительной способностью. C++ применяют создании драйверов и встроенных приложений. Минус — сложность в использовании. Отличие C от C++, в том, что первый — это основа, а второй усовершенствованный язык C.
• Scratch. Популярен у новичков возрастом 8-16 лет (используется в клубах робототехники). Для составления программы комбинируют блоки путем их перетаскивания.
• C#. Язык Microsoft. Применяется для создания нейросетей в робототехнике.
• Паскаль. Самый старый язык программирования, при написании алгоритмов для роботов используется редко. Его преимущество — легкость составления программ. Подходит для новичков не знакомых с алгоритмами в качестве знакомства с программированием.
• LISP. Один из первых языков программирования. Его применяют редко, но именно его используют при создании искусственного интеллекта и ROS. Минус — сложность использования.

Кроме языков программирования есть фреймворки — набор инструментов для создания сайтов и программ для роботов. Самым популярным из них является ROS (в переводе означает робот операционных систем). Он ускоряет процесс написания алгоритмов за счет наличия готовых пакетов. Фреймворк поддерживает языки C++ и Python. Минус — сложность использования.

Роль среды разработки и аппаратных средств

При программировании роботов нужно учитывать, что существует не только множество языков, но и сред, которые разделяют на две фундаментальные группы: визуальные — используются графические изображения и тестовые — алгоритм составляют текстовыми файлами. Также программные среды разделяют по универсальности, то есть подходят они роботам только с одной конструкцией или с разной. Далее рассмотрим популярные виды сред программирования:

• NXT-G. Визуальная среда, в которой программа управления состоит из блок-схем. В какой очередности они расположены, в такой техника и выполняет действия. Разработана она компанией Lego специально для робототехники комплекта Mindstorms NXT. Среда выделяется простым и понятным интерфейсом и сочетается с платформой ev3.
• TrikStudio. Комбинированная среда, в ней применяются текстовые файлы и графические изображения. Используется для проверки техники от компании Trik.
• MRDS. Визуальная среда, состоящая из языка программирования VPL, который используется чаще для обучения новичков программировать роботов. Специалисты профессионалы, применяют преимущественно язык C#. При составлении алгоритма выбирают графические изображения и создают между ними связь.
• RobotC. Текстовая среда считающаяся одной из лучших способов программирования роботов для новичков. Ее используют при подготовке к турнирам в данной сфере. При создании алгоритма используется язык C, который признан самым простым, минусом среды является платное программное обеспечение.
• BricxCC. Текстовая среда, в которой для программирования применяется язык NXC. Выделяется наличием большого количества инструментов и возможностью использовать блоки Lego Mindstorms. При составлении алгоритмов есть низкоуровневые и высокоуровневые языки программирования, что позволяет разработать алгоритмы для роботов различного назначения.
• Arduino. Текстовая среда, применяется не только для программирования роботов, но и прошивки кодов контроллеров. Выделяется простым интерфейсом, понятным даже новичкам.

При выборе среды и языка программирования учитываются основные критерии, первым из которых является быстрота действий робота после загрузки в него алгоритма и объем его памяти. Если нужна высокая скорость и у техники небольшая память, то используются низкоуровневые языки, в случае, когда робот должен выполнять много разных команд, то используют высокоуровневые.

Также учитывается и сколько времени дается на создание программы. При составлении алгоритма с помощью низкоуровневых языков необходимо много времени, а в случае, если допущена ошибка, найти ее будет очень сложно. При использовании высокоуровневых языков, программирование занимает мало времени, но при этом нужно учитывать, что скорость выполнения команд роботом может быть медленнее, так как при применении высокоуровневых языков используется «переводчик», поэтому на обработку данных требуется время. Робот может подвисать иногда возникают сбои в выполнении задач.

На выбор языка также влияет на кого ориентирован запрограммированный робот. Его задачей может быть работа с техникой или человеков. Во втором случае алгоритмы более сложные, так как необходима графика (техника с человеком общается с помощью изображений, например выводит картинку или текст на монитор), а графика состоит из сложных и объемных программ.

Еще один критерий, какая требуется универсальность программирования. Предназначена она для роботов одной конструкции от одного производителя или для разной техники от разных фирм. В первом случае используют низкоуровневые языки, а во втором высокоуровневые.

И последний параметр выбора языка программирования — как быстро можно внести изменения и с какой скоростью проходит тестирование. Для роботов, которые постоянно обновляются выбирают языки, в которые можно быстро внести изменения, а потом провести тест с высокой скоростью. К таким относятся высокоуровневые.

По рассмотренным критериям и средам самым востребованным низкоуровневым языком является ассемблер, а у высокоуровневых — C++.

Практическое применение языков в робототехнике

Рассмотренные программные языки и среды используются при создании следующих видов роботов:

• Искусственный интеллект, который в настоящее время широко развивается. Он помогает технике самостоятельно принимать решения, обучаться и быстро адаптироваться.
• Компьютерное зрение. Эта программа позволяет роботам видеть, распознавать объекты и определять эмоции. Достигается это за счет встроенных камер и датчиков.
• Речь. С новыми моделями роботов можно общаться без введения команд через компьютер, они понимают речь, что облегчает управление ими.
• Восприятие внешнего мира. Новые модели оснащены датчиками, которые помогают им тактильно распознавать мир за счет сенсоров. Благодаря этому техника может выполнять сложные команды.

Есть и простые модели, например, промышленные, медицинские бытовые и т.д. Их главное отличие от рассмотренных примеров — выполняют работу после получения команды от компьютера, которую вводит оператор.

Обучение программированию роботов

Курсы и уроки по составлению алгоритма действий проводятся по плану, который зависят от того, для какой техники он создается, поэтому методов обучения существует множество, но есть общие рекомендации. Специалисты советуют при составлении кодов завести собственную библиотеку, в которой будут храниться часто используемые инструменты. В будущем это позволит существенно экономить время.

После составления машинного кода оставляйте комментарии о его назначении. А после его доработки пишите новый текст. В будущем это поможет быстро найти ошибку, если будут сбои. После того как программа составлена полностью, прежде чем включить запрограммированного робота, убедитесь, что кнопка его отключения находится в быстром доступе, так как если в программе есть ошибка, технику можно будет быстро отключить, пока она сама себя не повредила.

Для полноценного обучения программированию необходимо иметь не только компьютер с популярными языками для составления алгоритмов, нужна и техника. Купить конструкторы для программирования роботов предлагает компания educube³. На сайте представлен широкий ассортимент оригинальной продукции Lego для новичков разного возраста. Купить роботов просто — выбирайте товар, отправляете в корзину, потом оплачиваете его (клиенты из Москвы могут произвести расчет при получении заказа у курьера) любым безналичным способом. Далее мы доставим ваш заказ в любую точку России. При возникновении затруднений, менеджер ответит на все вопросы.