Робототехника

Опубликовано 14.10.2023 - 6:12 - Шадура Сергей Александрович

Что надо на занятия робототехникой

1. Тетрадь в клетку - для вклеек, записей, зарисовки схем

2. Офицерская линейка (с окружностями различных диаметров), карандаш, ластик, ручка шариковая

Во время практических работ используются:

- наборы по робототехнике на базе Arduino и электронике

- паяльник с припоем и флюсом

- ноутбук со специальным программным обеспечением

Учебно-методическое обеспечение

Полезные интернет-ресурсы

Tinkercad — это бесплатное веб-приложение для 3D-проектирования, работы с электронными компонентами и написания программного кода, которому доверяют более 50 миллионов человек по всему миру. Делайте уверенные шаги в научно-технической отрасли за счет проектной работы в классе.
CIRCUITO.IO - Мгновенно получите подробную спецификацию, руководство по подключению и код испытаний для вашей электронной схемы и воплотите свой проект в жизнь.
Fritzing — свободное кроссплатформенное программное обеспечение, упрощённый САПР с WYSIWYG-интерфейсом для хоббийных проектов экосистемы Arduino. ПО разработано в Университете прикладных наук Потсдама. Скачивание бинарных сборок под Windows, Mac и Linux AppImage с официального сайта доступно только на платной основе.
Proteus Design Suite — пакет программ для автоматизированного проектирования (САПР) электронных схем. Разработка компании Labcenter Electronics (Великобритания).
GyverKIT – самый большой стартовый Ардуино набор для обучения робототехнике и программированию. В состав набора входят самые популярные и универсальные модули и датчики, что позволяет собрать на его базе огромное количество электронных самоделок и провести кучу экспериментов!
AlexGyver Technologies V2.0 - сайт, на котором собраны авторские уроки, статьи и проекты на Arduino
Arduino.cc - официальный сайт проекта Arduino

Что такое Ардуино (Arduino)?

Arduino — торговая марка аппаратно-программных средств построения и прототипирования простых систем, моделей и экспериментов в области электроники, автоматики, автоматизации процессов и робототехники.

Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры.

Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino.

Используется как для создания автономных объектов, так и подключения к программному обеспечению через проводные и беспроводные интерфейсы. Подходит для начинающих пользователей с минимальным входным порогом знаний в области разработки электроники и программирования.

Программная часть	Аппаратная часть
Программирование ведется целиком через собственную бесплатную программную оболочку Arduino IDE (распространяется по условиям GPLv2). В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на Java на основе проекта Processing, работает под Windows, Mac OS X и Linux. Используется комплект библиотек Arduino (по лицензии LGPL). Язык программирования Arduino называется Arduino C и представляет собой язык C++ с фреймворком Wiring, он имеет некоторые отличия по части написания кода, который компилируется и собирается с помощью avr-gcc, с особенностями, облегчающими написание работающей программы — имеется набор библиотек, включающий в себя функции и объекты. При компиляции программы IDE создает временный файл с расширением .cpp. Программы, написанные программистом Arduino, называются наброски или скетчи (транслитерация от англ. sketch) и сохраняются в файлах с расширением .ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++. Программист должен написать две обязательные для Arduino функции setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле. В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать. Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки, и они вносятся в список компиляции. Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения проблем; но присутствуют директивы препроцессора, такие как #define, #include и много других.	Под торговой маркой Arduino выпускается несколько плат с микроконтроллером (англ. boards) и платы расширения (так называемые шилды — транслитерация с англ. shields). Большинство плат с микроконтроллером снабжено минимально необходимым набором обвязки для нормальной работы микроконтроллера (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса и т. п.). В концепцию Arduino не входит корпусного или монтажного конструктива. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно либо с помощью сторонних компаний. Сторонними производителями также выпускаются наборы робототехнической электромеханики, ориентированной на работу совместно с платами Arduino. Независимыми производителями также выпускается большая гамма всевозможных датчиков и исполнительных устройств, в той или иной степени совместимых с Ардуино. Конструктив Классические Arduino и Arduino-совместимые платы спроектированы для монтажа в стопки через штыревые разъёмы. Таким образом базовую микропроцессорную плату дополняют необходимой периферией и внешними подключениями. Существуют платы Uno, Pro, Leonardo, Mega 2560, Due и платы, например Zero, с расширенным набором штыревых разъёмов для них. Платы расширения стандартной длины могут устанавливаться и в расширенные процессорные платы. Кроме того существует также миниатюрный и промышленный конструктив. Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика (англ. bootloader). С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов, хотя в некоторых моделях Arduino его нет. Загрузчик соединяется с компьютером через интерфейс USB (если он есть на плате) или с помощью отдельного переходника UART-USB. Поддержка загрузчика встроена в Arduino IDE и выполняется в один клик мыши. На случай затирания загрузчика или покупки микроконтроллера без загрузчика разработчики предоставляют возможность прошить загрузчик в микроконтроллер самостоятельно. Для этого в Arduino IDE встроена поддержка нескольких популярных дешёвых программаторов, а большинство плат Arduino имеет штыревой разъём для внутрисхемного программирования (ICSP для AVR, JTAG или SWD[en] для ARM). В Arduino IDE встроена возможность создания своих программно-аппаратных платформ. Этой возможностью пользуются сторонние компании, добавляющие в Arduino IDE свои наборы плат и компиляторов-загрузчиков к ним. Периферия Порты ввода-вывода микроконтроллеров оформлены в виде штыревых линеек. Никакой буферизации, защиты, конвертации уровней, как правило, нет. Микроконтроллеры питаются от 5 В или 3,3 В в зависимости от модели платы. Соответственно, порты имеют такой же размах допустимых входных и выходных напряжений. Программисту доступны некоторые специальные возможности портов ввода-вывода микроконтроллеров, например широтно-импульсная модуляция (ШИМ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), интерфейсы UART, SPI, I2C. Количество и возможности портов ввода-вывода определяются конкретным вариантом микропроцессорной платы. Помимо портов, на платах микроконтроллеров иногда устанавливается периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet. Опциональный набор внешней периферии на модулях расширения включает в себя: USB Device (чаще всего как виртуальный COM порт через FTDI FT232, имеются также версии с эмуляцией USB HID Class клавиатур и мышек). Проводной и беспроводной Ethernet как на основной плате, так и на платах расширения. Модуль GSM и другие беспроводные интерфейсы. USB Host. SD card. Модуль управления низковольтным мотором на базе L298. Поддерживаются шаговый и коллекторный двигатели с напряжением до 12 В и током до 2 А на канал. Могут подключаться также реле, электромагниты и т. п. Модуль не имеет гальванической развязки. Графический ЖКИ-индикатор. Модуль с макетным полем. Сторонние производители выпускают широкую гамму датчиков и исполнительных устройств, подключаемых к Arduino. Например, гироскопы, компасы, манометры, гигрометры, термометры, релейные модули, индикаторы, клавиатуры и т. п.

Программная часть

Аппаратная часть

Программирование ведется целиком через собственную бесплатную программную оболочку Arduino IDE (распространяется по условиям GPLv2). В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на Java на основе проекта Processing, работает под Windows, Mac OS X и Linux. Используется комплект библиотек Arduino (по лицензии LGPL).

Язык программирования Arduino называется Arduino C и представляет собой язык C++ с фреймворком Wiring, он имеет некоторые отличия по части написания кода, который компилируется и собирается с помощью avr-gcc, с особенностями, облегчающими написание работающей программы — имеется набор библиотек, включающий в себя функции и объекты. При компиляции программы IDE создает временный файл с расширением *.cpp.

Программы, написанные программистом Arduino, называются наброски или скетчи (транслитерация от англ. sketch) и сохраняются в файлах с расширением *.ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Программист должен написать две обязательные для Arduino функции setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле.

В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать.

Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки, и они вносятся в список компиляции.

Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения проблем; но присутствуют директивы препроцессора, такие как #define, #include и много других.

Под торговой маркой Arduino выпускается несколько плат с микроконтроллером (англ. boards) и платы расширения (так называемые шилды — транслитерация с англ. shields). Большинство плат с микроконтроллером снабжено минимально необходимым набором обвязки для нормальной работы микроконтроллера (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса и т. п.).

В концепцию Arduino не входит корпусного или монтажного конструктива. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно либо с помощью сторонних компаний. Сторонними производителями также выпускаются наборы робототехнической электромеханики, ориентированной на работу совместно с платами Arduino. Независимыми производителями также выпускается большая гамма всевозможных датчиков и исполнительных устройств, в той или иной степени совместимых с Ардуино.

Конструктив

Классические Arduino и Arduino-совместимые платы спроектированы для монтажа в стопки через штыревые разъёмы. Таким образом базовую микропроцессорную плату дополняют необходимой периферией и внешними подключениями.

Существуют платы Uno, Pro, Leonardo, Mega 2560, Due и платы, например Zero, с расширенным набором штыревых разъёмов для них. Платы расширения стандартной длины могут устанавливаться и в расширенные процессорные платы.

Кроме того существует также миниатюрный и промышленный конструктив.

Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика (англ. bootloader). С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов, хотя в некоторых моделях Arduino его нет. Загрузчик соединяется с компьютером через интерфейс USB (если он есть на плате) или с помощью отдельного переходника UART-USB. Поддержка загрузчика встроена в Arduino IDE и выполняется в один клик мыши.

На случай затирания загрузчика или покупки микроконтроллера без загрузчика разработчики предоставляют возможность прошить загрузчик в микроконтроллер самостоятельно. Для этого в Arduino IDE встроена поддержка нескольких популярных дешёвых программаторов, а большинство плат Arduino имеет штыревой разъём для внутрисхемного программирования (ICSP для AVR, JTAG или SWD[en] для ARM).

В Arduino IDE встроена возможность создания своих программно-аппаратных платформ. Этой возможностью пользуются сторонние компании, добавляющие в Arduino IDE свои наборы плат и компиляторов-загрузчиков к ним.

Периферия

Порты ввода-вывода микроконтроллеров оформлены в виде штыревых линеек. Никакой буферизации, защиты, конвертации уровней, как правило, нет. Микроконтроллеры питаются от 5 В или 3,3 В в зависимости от модели платы. Соответственно, порты имеют такой же размах допустимых входных и выходных напряжений. Программисту доступны некоторые специальные возможности портов ввода-вывода микроконтроллеров, например широтно-импульсная модуляция (ШИМ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), интерфейсы UART, SPI, I2C. Количество и возможности портов ввода-вывода определяются конкретным вариантом микропроцессорной платы.

Помимо портов, на платах микроконтроллеров иногда устанавливается периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet. Опциональный набор внешней периферии на модулях расширения включает в себя:

USB Device (чаще всего как виртуальный COM порт через FTDI FT232, имеются также версии с эмуляцией USB HID Class клавиатур и мышек).
Проводной и беспроводной Ethernet как на основной плате, так и на платах расширения.
Модуль GSM и другие беспроводные интерфейсы.
USB Host.
SD card.
Модуль управления низковольтным мотором на базе L298. Поддерживаются шаговый и коллекторный двигатели с напряжением до 12 В и током до 2 А на канал. Могут подключаться также реле, электромагниты и т. п. Модуль не имеет гальванической развязки.
Графический ЖКИ-индикатор.
Модуль с макетным полем.

Сторонние производители выпускают широкую гамму датчиков и исполнительных устройств, подключаемых к Arduino. Например, гироскопы, компасы, манометры, гигрометры, термометры, релейные модули, индикаторы, клавиатуры и т. п.

Навигация

Робототехника