Будущее, каким его представляли фантасты XX века, уже наступило. Роботы выполняют наши повседневные задачи — от уборки дома до доставки товаров. Разумеется, они научились этому не самостоятельно: им «помогли» программисты. Развитие робототехники стремительно идет вперед, а мы готовы рассказать вам, чем программирование роботов отличается от обычного и какие языки для этого используются.
Что такое робототехника
Робототехника — это прикладная наука, которая занимается созданием и использованием роботов. Роботы — это машины, которые могут выполнять какие-либо действия без непосредственного участия человека.
Например, по улицам Москвы и некоторых других населенных пунктов нашей страны уже перемещаются симпатичные роверы — роботы-курьеры от Яндекс. Это небольшие шестиколесные вездеходы, которые возят заказы, посылки весом не более 20 килограммов. Роверы умеют огибать препятствия на своем пути, а если происходит какая-то непредвиденная ситуация, они отправляют сигнал операторам.
Впервые термин «робототехника», или, если быть точнее, «роботика» предложил известный писатель-фантаст Айзек Азимов в 1941 году — слово было использовано в его рассказе «Лжец». Однако исследования в этой области начались раньше. В 1927 году публике был представлен первый робот-андроид — мистер Герберт Телевокс, разработанный Роем Уэнсли, инженером компании Westinghouse Electric. Это был достаточно примитивный человекоподобный робот, который умел выполнять только несколько простых указаний, зашифрованных звуком свистка.
Позже, уже в 1950-х годах, появились дистанционно управляемые манипуляторы для работы с радиоактивными материалами: люди оставались на безопасном расстоянии и только отдавали команды. А в 1968 году на станках японской корпорации Kawasaki Heavy Industries был собран первый в мире промышленный робот.
Сегодня роботы «захватили» многие сферы жизни и науки. Вот несколько примеров:
- Промышленность: роботы помогают автоматизировать производство, выполняя тяжелые, повторяющиеся задачи.
- Здравоохранение: роботы используются для проведения операций, исследований.
- Быт: роботы-пылесосы, посудомоечные машины и газонокосилки облегчают домашние дела.
- Космос: роботы исследуют удаленные планеты и помогают проводить научные эксперименты.
Робототехника продолжает развиваться, и ожидается, что она будет играть еще более важную роль в нашей жизни в будущем.
Управление роботами: от свистка к языкам программирования
За столетие технологии ощутимо шагнули вперед, но одно осталось неизменно: как и мистеру Телевоксу, его современным «собратьям» нужны инструкции. Только теперь для этого используются не свистки, а различные инструменты и команды для программирования роботов. Они учитывают специфику работы с механическими устройствами и «заточены» для взаимодействия с реальным миром. Среди них:
- специальные IDE, как правило, с визуальными инструментами для программирования роботов — можно создавать блок-схемы или диаграммы потока данных вместо написания классического кода. Это упрощает разработку программ для новичков и позволяет быстро визуализировать логику работы робота;
- симуляторы роботов — позволяют отлаживать и тестировать код в виртуальной среде, имитирующей реальный мир. Это позволяет избежать ошибок и повреждений робота при тестировании кода, а также сократить время разработки;
- специальные библиотеки и функции для работы с различными датчиками, которые могут быть установлены на роботе, — движения, звука, температуры и другими;
- протоколы связи для взаимодействия с роботом, которые могут быть как проводными, так и беспроводными.
В целом, программирование в робототехнике отличается от обычного программирования необходимостью учета физических ограничений. Также при создании программы для управления роботом нужно помнить, что работать ей придется в режиме реального времени. Это значит, что код необходимо оптимизировать для быстрого выполнения. Иначе из-за долгой обработки робот будет «зависать» в процессе выполнения задач.
Робот должен получать данные от своих сенсоров, например датчиков расстояния, датчиков света и датчиков температуры. На основе этой информации он может действовать безопасно для себя и окружающей среды, двигаться, огибать препятствия. Промышленные роботы решают и более сложные задачи — например, изготавливают детали для производства.
Как это работает
- Разработчик пишет программу для робота на любом языке.
- Компилятор или интерпретатор языка программирования «переводит» написанный код в машинный язык, который может «понять» робот.
- У робота есть центр управления, который можно сравнить с мозгом, — это могут быть разные устройства: чип, схема, микроконтроллер или компьютер. Чем более мощный «мозг» установлен в конструкции, тем более сложные задачи может выполнять робот. Именно в центр управления закладывается программа, написанная разработчиком и переведенная в доступную для техники форму.
Как запрограммировать робота: разные подходы
Существует несколько разных подходов к созданию ПО для роботов, и каждый из них имеет свои особенности, плюсы и минусы.
Выбирая между более традиционным конвейерным, подающим большие надежды биологическим или сбалансированным, но сложным в реализации смешанным, важно понимать, какие задачи будет решать робот:
- конвейерный подход хорош для простых задач, где нужно четкое выполнение инструкций;
- биологический — подходит для сложных задач, где нужны креативное решение и адаптация к изменениям;
- смешанный подход — это самый универсальный вариант, который позволяет создавать более умных и гибких роботов.
Языки программирования в робототехнике
Языки программирования делят на несколько уровней — от наиболее понятных машине до практически естественных для человека:
- низкоуровневые языки предоставляют прямой доступ к аппаратным средствам робота и обычно используются для программирования простых задач — например, к ним относится Assembly;
- среднеуровневые языки обеспечивают более высокий уровень абстракции, чем низкоуровневые, и делают программирование более сложных задач легче для разработчика — в их число входят C# и Java;
- высокоуровневые языки не требуют глубоких знаний о внутреннем устройстве робота, позволяют писать код на более естественном для человека языке — как, например, Python.
Для программирования роботов используются языки разных уровней, и мы отобрали для вас топ-5 самых популярных и мощных.
Assembly
Позволяет управлять микропроцессорами и периферией робота напрямую.
Плюсы:
- программы на ассемблере работают очень быстро, так как они максимально приближены к машинному коду;
- ассемблер позволяет использовать ресурсы микроконтроллера максимально эффективно, минимизируя потребление памяти и энергии;
- можно получить доступ к регистрам, прерываниям и другим элементам микроконтроллера, что позволяет реализовать сложные алгоритмы управления.
Минусы:
- это низкоуровневый язык, требующий глубокого понимания архитектуры процессора;
- программирование на ассемблере занимает больше времени, чем на языках высокого уровня;
- код на ассемблере обычно не переносится между разными платформами, что затрудняет разработку.
Ассемблер применяется в робототехнике для решения следующих задач:
- разработка драйверов для периферийных устройств: сенсоров, двигателей, дисплеев;
- оптимизация критически важных частей кода: например, управления движением, обработки сигналов;
- любые задачи, где необходимы максимальная производительность и минимальное потребление ресурсов.
Ассемблер — мощный инструмент для программирования роботов, но требует глубоких знаний и опыта. Он используется в специфичных задачах, где важны скорость, эффективность и низкоуровневый контроль.
C++
Мощный язык программирования, который широко используется в робототехнике благодаря своей гибкости и эффективности. Он сочетает в себе удобство высокоуровневого языка и возможности низкоуровневого контроля.
Плюсы:
- C++ известен своей скоростью выполнения, что важно для обработки данных в реальном времени и управления роботами;
- C++ позволяет работать с аппаратными ресурсами, например, с микроконтроллерами, сенсорами и актуаторами, что дает больше контроля над роботом;
- C++ поддерживает объектно-ориентированное программирование, что позволяет создавать модульный, переиспользуемый и легко отлаживаемый код;
- C++ имеет огромную библиотеку и активное сообщество программистов, и это обеспечивает доступность различных инструментов и решений.
Минусы:
- C++ сложнее, чем языки высокого уровня, например Python, что делает его более трудным для изучения и использования;
- отладка кода на C++ может быть сложной из-за низкоуровневых особенностей языка;
- в C++ необходимо вручную управлять памятью, что может привести к ошибкам в коде, если не быть осторожным.
C++ используется в робототехнике для решения следующих задач:
- реализация алгоритмов управления движением, навигации и планирования движения.
- разработка программ обработки данных от сенсоров и других устройств, а также для анализа и визуализации данных;
- создание программного обеспечения для встраиваемых микроконтроллеров, которые используются в роботах.
C++ идеально подходит для решения сложных задач в робототехнике. Он дает большую степень контроля над «железом» робота и позволяет создавать высокопроизводительные приложения. Однако сложность и отладка могут быть препятствиями для новичков.
Java
Популярный язык программирования, который также находит применение в робототехнике. Немного менее распространен, чем C++ или Python.
Плюсы:
- программы, написанные на Java, могут работать в разных операционных системах без модификаций — это важно для робототехники, где могут использоваться различные компьютеры и контроллеры;
- как и C++, поддерживает объектно-ориентированное программирование, что делает код более структурированным, модульным и удобным для отладки;
- обладает обширным сообществом разработчиков и богатым набором библиотек, облегчающих создание различных функций;
- автоматически управляет памятью, что освобождает разработчиков от ручного выделения и освобождения памяти, уменьшает вероятность ошибок.
Минусы:
- Java, как правило, менее производителен, чем C++, особенно в задачах, требующих обработки в реальном времени;
- Java — более сложный язык, чем Python, что может затруднить его изучение и использование для начинающих;
- Java-приложения обычно имеют больший размер, что может быть проблемой для ограниченных ресурсов в робототехнике.
Java применяется в робототехнике для решения следующих задач:
- создание программ, управляющих движением робота, взаимодействием с сенсорами и планированием задач;
- разработка графического интерфейса пользователя;
- разработка приложений, которые могут взаимодействовать по сети, например, для управления роботом удаленно или для обмена данными между роботами.
Java — хороший выбор для задач, где важны переносимость, простота разработки и наличие широких возможностей. Но если требуются высокая производительность и минимальное потребление ресурсов, C++ подойдет лучше.
Python
Этот достаточно универсальный язык успешно применяется и для программирования роботов.
Плюсы:
- на нем легко читать и писать, что делает Python идеальным для начинающих в робототехнике;
- он имеет множество готовых библиотек, которые позволяют легко взаимодействовать с различными компонентами робота, такими как датчики, двигатели и камеры;
- Python работает в разных операционных системах, что позволяет использовать его на компьютерах, микроконтроллерах и других устройствах.
Минусы:
- Python не самый быстрый язык программирования, что может быть проблемой для задач, требующих высокой производительности;
- для задач, требующих глубокого погружения в аппаратные компоненты, Python подходит плохо.
Python в робототехнике применяется для решения большого ряда задач:
- создание программ для управления движением робота, использованием датчиков и взаимодействием с внешней средой;
- обработка изображений и видео, полученных с камер, для задач навигации, распознавания объектов и других целей;
- обучение нейросетевых моделей для распознавания речи, принятия решений и оптимизации поведения робота.
Python прост для изучения и позволяет решать многие задачи, не требующие низкоуровневого контроля.
MATLAB
MATLAB — это высокоуровневый язык и мощный инструмент для инженеров и ученых. Он также нашел свое место в робототехнике.
Плюсы:
- содержит множество инструментов для линейной алгебры, оптимизации, статистики, которые упрощают разработку сложных алгоритмов;
- позволяет создавать графики, анимации и визуализации для представления данных и результатов моделирования, что облегчает понимание и анализ;
- широко используется в научных и инженерных кругах, что облегчает совместную работу и обмен данными.
Минусы:
- MATLAB — это коммерческое программное обеспечение, которое требует лицензионных платежей;
- для задач, требующих высокой скорости обработки, MATLAB не оптимален;
- MATLAB предназначен для высокого уровня абстракции, что ограничивает возможность непосредственного управления аппаратными компонентами.
Задачи для языка MATLAB:
- создание виртуальных моделей роботов и их окружения;
- обработка сигналов и данных, полученных от датчиков робота, для анализа, фильтрации и интерпретации;
- разработка сложных алгоритмов управления, которые могут быть использованы для регулирования движения робота, оптимизации его действий и принятия решений.
MATLAB — это ценный инструмент для робототехники, особенно для моделирования, анализа данных и визуализации.
Подведем итог
Роботы способны выполнять огромное множество задач и даже могут заменить людей в опасных и тяжелых сферах деятельности. Программисты используют языки разных уровней, для того чтобы научить машины новым навыкам. Развитие технологий машинного обучение дало начало биологическому подходу к управлению роботами. Это помогло существенно расширить сферу их применения.
Выбор инструментов зависит в первую очередь от задачи: для сложных решений больше подходят высокоуровневые Python или MATLAB, а для доступа к аппаратным средствам лучше написать программу для робота на Assembly. Сочетание разных средств позволит создать более гибкое и оптимизированное решение.
Сегодня разрабатывать ПО для роботов способен даже ребенок — для этого есть специальные IDE, которые просты для понимания. Если вы хотите вложить в «мозг» электронного помощника свой алгоритм, начните изучать один из популярных языков программирования, подходящих для робототехники.
