Новостные сайты в интернете забиты статьями о том, что скоро роботы начнут отнимать работу у людей, вытесняя их из ряда профессий, в том числе не требующих высокой квалификации. С этим можно спорить, однако несомненно, что робототехника уже прочно вошла в нашу жизнь, и специалисты в этой области будут всегда востребованы.
Но с чего лучше всего начинать обучение школьников и студентов программированию и робототехнике?
Можно условно выделить два подхода к обучению.
Первый подход предполагает изучение основ электроники, компьютерной техники, программирования на ассемблере и Си, с последующим переходом к более высокоуровневым средствам проектирования программ и схемотехническим решениям на базе современных процессоров и микроконтроллеров, обучения основам численных методов и дискретной математики.
Когда-то давным-давно был доступен только первый способ, и я сам обучался именно так. Я собирал приемники-передатчики на транзисторах и лампах, различные радио устройства, триггеры из транзисторов, регистры из элементов 2И-НЕ на базе К155ЛА3, электронные часы, частотомер и самодельные компьютеры на микросхеме КР580ВМ80А, добавляя россыпь логических микросхем, микросхем памяти и периферийных устройств (рис. В.1). Первые программы были написаны, конечно же, в машинных кодах!
Рис. В.1. Элементная база прошлого века
У этого подхода есть очевидные преимущества и не менее очевидные недостатки.
Из важных преимуществ – на любом этапе будет понятна суть происходящего на самом низком уровне, на уровне сигналов и команд процессора, на уровне элементов и микросхем. Понимание сложных вещей будет достигаться постепенно, по мере продвижения от простого к сложному.
В то же время огромный недостаток метода обучения с самых основ заключается в том, что весь процесс отнимет очень много времени и сил. Двигаясь с самого начала, вы не скоро сможете создать что-нибудь достаточно сложное и интересное. В то же время ученикам уже на первых занятиях захочется насладиться результатами своего труда.
Второй подход предполагает, что обучение начинается с использования готовых обучающих наборов, содержащих микроконтроллеры и периферийные блоки, с применением графических инструментов программирования и языков высокого уровня. Далее после достижения определенных результатов, можно перейти к изучению низкоуровневых средств и инструментов. Именно этот подход мы и будем использовать в данной книге.
Проект модели марсохода BoxRover
На мой взгляд, в процессе обучения нужно двигаться к какой-нибудь интересной, но сложной цели, при этом шаги должны быть достаточно крупными, чтобы продвижение было заметно. Сложность цели необходима для получения самых разносторонних знаний, которые пригодятся в дальнейшем на работе в области ИТ и робототехники.
Здесь интересно было бы создать так называемый STEM-проект, реализация которого позволить получить знания, необходимые в реальной жизни. Аббревиатура STAM – это сокращение от Science, Technology, Engineering и Math, т.е. наука, технология, инженерное дело и математика.
Я предлагаю в качестве такого учебного проекта создать несложную модель марсохода (или движущегося робота для изучения каких-либо других планет) с названием BoxRover. Пусть ваше устройство никогда не полетит в космос, но оно сможет управляться по радио или через интернет, измерять различные параметры окружающей среды, получать фотографии и видео, и передавать все это «на землю», например, в ваш компьютер или планшет.
По мере создания модели марсохода BoxRover вы научитесь программировать встроенные микроконтроллеры, управлять движением, получать данные бортовых измерительных устройств и получите другие необходимые знания.
На рис. В.2 мы показали пример современных компонентов, из которых вы будете делать своего первого робота.
Рис. В.2. Некоторые современные компоненты для изготовления робота
Выбор платформы для обучения
На различных курсах робототехники для детей для обучения используются наборы Lego. С их помощью можно быстро собрать робота из готовых деталей и так же быстро их запрограммировать на выполнение различных несложных действий. На мой взгляд, такие наборы, хотя и дают представление о некоторых функциях роботов, все же недостаточно хорошо демонстрируют взаимодействие микрокомпьютеров и периферийных устройств.
Чтобы лучше понимать, что происходит, научиться не только программировать готового робота, но и создавать собственных из электронных блоков и компонентов, на разных стадиях создания модели марсохода мы будем работать с микроконтроллерами BBC micro:bit, платформой Arduino, STM32 Nucleo, а также Raspberry Pi.
Микроконтроллер BBC micro:bit
Микроконтроллер BBC micro:bit был создан корпорацией BBC как открытый проект, нацеленный на повышение компьютерной грамотности, и в нынешнем виде стал доступен в феврале 2016 года.
В