Робототехника: практическое введение для детей и взрослых

Александр Вячеславович Фролов, 2020

Эта книга поможет вам быстро освоить основы робототехники и приступить к конструированию собственных роботов, разных систем с микроконтроллерами и даже элементов умного дома. Вам не потребуются знания языков программирования и паяльник. Изучайте микроконтроллеры и робототехнику по нашей книге, и вы сможете быстро освоить современные профессии. Вы научитесь программировать micro:bit версий 1.5 и 2, работать с кнопками, светодиодами, светодиодным и OLED-экраном, измерять температуру, ускорение, напряженность магнитного поля. Используя интерфейс GPIO, вы подключите такие устройства, как моторы, сервоприводы, кнопки, датчики движения, расстояния и многие другие. Данные, полученные от контроллеров, вы сможете передавать на другие контроллеры с помощью радиоканала Bluetooth, а также контроллеров LoRa, способных обеспечить радиосвязь на расстояния, исчисляемые километрами. Мы расскажем о том, как организовать электропитание робота или других конструкций.

Содержание книги

Эта книга поможет вам быстро освоить основы робототехники и приступить к конструированию собственных роботов, систем автоматизации и даже элементов умного дома.

Если вы не программист, то наша книга позволит вам реализовать свои идеи в области робототехники с помощью визуальных средств разработки, не требующих программирования. Вам не потребуется паяльник — современные компоненты можно устанавливать на макетных платах, не вдыхая запах канифоли.

Изучайте микроконтроллеры и робототехнику по нашей книге, и вы сможете быстро освоить современные профессии.

Вы научитесь программировать micro:bit версий 1.5 и 2, научитесь работать с кнопками, светодиодами, светодиодным и OLED-экраном, измерять температуру, ускорение, напряженность магнитного поля.

Используя интерфейс GPIO, предусмотренный на плате micro:bit, вы подключите такие устройства, как моторы, сервоприводы, обычные и сенсорные кнопки, датчики движения, расстояния и многие другие.

Данные, полученные от контроллеров, вы сможете передавать на другие контроллеры с помощью радиоканала Bluetooth, а также контроллеров LoRa, способных обеспечить радиосвязь на расстояния, исчисляемые километрами.

В отдельной главе мы расскажем о том, как организовать электропитание робота или других конструкций с микроконтроллерами.

В главе 1 «Запускаем микроконтроллер micro:bit» вы научитесь создавать простые программы для micro:bit версий 1.5 и 2 с помощью визуального редактора блоков Microsoft MakeCode for micro:bit.

Эти программы вы будете загружать в микроконтроллер через браузер, через сайт https://makecode.microbit.org/, через автономную программу Microsoft MakeCode, установленную на компьютере или ноутбуке, а также через приложение micro:bit, установленное в смартфоне или планшете.

Глава 2 «Управляем светодиодами» расскажем вам о том, как можно легко выводить на экран micro:bit, состоящий из 25 светодиодов, различную графическую, числовую и текстовую информацию.

Также с помощью генератора случайных чисел вы создадите на этом экране простую анимацию — звездное небо и блуждающую точку.

В главе 3 «Работаем с кнопками» мы будем использовать кнопки A и B, расположенные на плате micro:bit, а также сенсорную кнопку в виде логотипа, доступную в micro:bit версии 2. Вы научитесь обрабатывать события, возникающие при нажатии этих кнопок, а также проверять их состояние во время работы программы. Кроме этого, вы сможете использовать контакты P0, P1 и P2 в качестве сенсорных кнопок.

Эти знания помогут вам управлять с помощью обычных и сенсорных кнопок работой программы звездного неба, созданной во второй главе, и другими различными программами.

В главе 4 «Измеряем температуру» вы научитесь пользоваться измерителем температуры, встроенным в процессор платы micro:bit. Это позволит вам создать программы, которые показывают текущую температуру процессора, а также контролировать превышение температуры сверх заданного значения.

Глава 5 «Измеряем ускорение» позволит вам контролировать движение платы micro:bit с ускорением или нахождение ее в состоянии невесомости. Вы научитесь обрабатывать жесты — поворот платы микроконтроллера логотипом вверх или вниз, наклон вправо или влево, поворот монитором вверх или вниз, встряхивание.

Все это будет возможно, когда вы научитесь работать с акселерометром, специально предназначенным для измерения ускорения во всех трех направлениях движения. Это устройство встроено в плату micro:bit.

Вы создадите программы, способные обнаружить невесомость и значительные перегрузки, реагировать на жесты, строить гистограмму значений ускорения.

Глава 6 называется «Встроенный магнитометр». В ней вы научитесь использовать магнитометр, расположенный на плате micro:bit, для исследования напряженности магнитного поля, а также сделаете простейший компас.

В главе 7 «Подключаем внешние устройства» мы научим вас работать с некоторыми внешними устройствами из набора DFRobot для micro:bit. Набор хорош тем, что не требует никаких навыков пайки и позволяет легко изучить способы подключения и программирования таких устройств, как светодиод, кнопки, моторы, потенциометры, датчики движения.

Вы сможете управлять яркостью небольшой светодиодной ленты и даже превратите свой micro:bit в простую музыкальную шкатулку.

Глава 8 «Осваиваем GPIO» посвящена подключению различных периферийных устройств к разъему GPIO микрокомпьютера micro:bit. Мы расскажем об этом разъеме и назначении его контактов, научим вас подключать к нему потенциометры, светодиоды, мощные лампочки. МЫ также расскажем об использовании широтно-импульсной модуляции для управления яркостью светодиодов и лампочек, а также скоростью вращения моторов.

Вы подключите ультразвуковой и инфракрасный дальномеры, которые пригодятся при создании роботов, например, для исключения столкновений с препятствиями при движении.

Мы также расскажем об использовании макетных плат для сборки различных схем без помощи пайки.

Глава 9 «Запускаем радиоканал» будет полезна, если в вашем проекте используется несколько плат micro:bit. Для создания радиоканала между платами вы будете использовать контроллеры Bluetooth. Такое контроллер уже встроен в плату micro:bit.

Работая с этой главой, вы сделаете устройство с пультом управления, позволяющее включать и выключать дистанционно лампочку и вентилятор, а также научитесь передавать по радио данные телеметрии. Мы также расскажем, как управлять мощностью передаваемого сигнала, и как измерять мощность принятого сигнала.

Глава 10 «Подключаем micro:bit к компьютеру и второму micro:bit» научит вас передавать данные из micro:bit в терминальную программу, работающую на компьютере, подключенном к плате micro:bit через порт USB. Такая возможность будет очень удобна при отладке программ, работающих на micro:bit.

Также вы научитесь передавать данные между двумя платами micro:bit, соединенными двумя проводами с помощью интерфейса UART.

В главе 11 «Марсоход BoxRover заводит моторы» вы приблизитесь к созданию ровера — модели радиоуправляемого марсохода. Вы научитесь управлять моторами ровера с помощью транзистора и контроллера MX1508, реализующих функции H-моста и создадите программу, управляющую вращением двигателя.

Работая над этой главой, вы создадите первый прототип ровера BoxRover с микроконтроллером micro:bit, управляемого по радио со второго такого же контроллера.

В качестве домашнего задания вы сделаете простейшую систему передачи данных телеметрии, способную передавать в пульт управления температуру процессора micro:bit ровера. При этом на экране ровера будет отображаться температура процессора micro:bit пульта управления.

Глава 12 «Управляем сервоприводами» также посвящена управлению двигателями, только другого типа. В этой главе мы расскажем о сервоприводах, которые могут поворачивать свою ось на заданный угол, а также о сервоприводах непрерывного вращения, способных поддерживать скорость и направление вращения вала.

В этой главе вы узнаете, как устроены сервоприводы, а также научитесь создавать программы для micro:bit, способные ими управлять.

Вы создадите программу для ручного управление сервоприводом при помощи потенциометра, а в качестве домашнего задания — систему автоматического управления шлагбаумом. Она будет открывать шлагбаум, когда к нему приближается автомобиль, а после проезда автомобиля — автоматически закрывать шлагбаум.

В главе 13 «Осваиваем I2C» мы расскажем об интерфейсе I2C, специально предназначенном для подключения периферийных устройств к микроконтроллерам. На плате micro:bit уже есть все необходимое для работы с I2C.

Вы научитесь подключать к этому интерфейсу измеритель освещенности BH1750 FVI GY-30, погодную станцию Grove-BME280 или Grove-BMP280, а также OLED монитор, и, конечно, напишете программы для работы с ними.

На базе контроллера часов реального времени DS-3231 вы соберете часы с таймером и погодной станцией, позволяющие устанавливать текущую дату, текущее время, время срабатывания таймера. Когда таймер установлен, горит светодиод желтого цвета, а когда он сработал — белого. С помощью кнопок A и B, расположенных на плате micro:bit, вы сможете установить текущие дату и время, время срабатывания таймера, сбрасывать и устанавливать таймер.

Погодная станция будет показывать на экране монитора OLED температуру, давление, влажность и температуру точки росы.

Глава 14 «Обновление BoxRover» приблизит нас еще на один шаг к созданию управляемого ровера.

Теперь наш прототип марсохода, управляемый по радио с помощью жестов, научится останавливаться перед препятствием при движении вперед и сигнализировать о такой остановке на экране монитора micro:bit, а также поднятием красного флажка с помощью сервопривода.

,Кроме всего этого, наш ровер будет отправлять в пульт управления телеметрические данные — температуру процессора и окружающей среды, давление, влажность, освещенность и температуру точки росы. Эти данные мы будем выводить на OLED-монитор, смонтированный в пульте управления.

В главе 15 «Электропитание робота» рассказано о том, какие существуют батарейки и аккумуляторы, как выбрать нужный тип питающих элементов для вашего робота. Будут рассмотрены особенности работы и зарядки аккумуляторов разных типов, применения контроллеров заряда и разряда Battery Management System (BMS).

Также вы узнаете, как использовать преобразователи и стабилизаторы для устройств, которым нужно разное напряжение питания, как подключать аккумуляторы и батарейки к макетной плате и устройствам робота с помощью отсеков и переходников, как питать робота от электрической сети 220 В на этапе отладки.

В главе 16 «Дальняя радиосвязь» рассмотрено использование технологии LoRa для создания каналов радиосвязи, способных передавать данные на большие расстояния, порядка километров и даже больше. При этом используются недорогие платы micro:bit и модули LoRa производства компании EBYTE.

Вы соберете погодную станцию, способную передавать информацию о температуре, давлении, влажности и температуре точки росы через канал дальней радиосвязи.

Вы также сделаете ретранслятор данных от сервера погодной станции, удваивающий максимальное расстояние передачи данных.

Глава 17 «Умный дом своими руками» содержит краткое введение в технологии умного дома. Мы расскажем о том, как использовать micro:bit и Raspberry Pi для сбора различных данных (о погоде, например) на обширной территории. Это может быть загородная резиденция или даже территория фабрики.

Почти в каждой главе предусмотрены домашние задания. Работая над ними самостоятельно, вы не только сможете проверить и закрепить свои знания. Решения домашних заданий вы сможете найти на сайте автора этой книги.