Elementy robotyki dla początkujących - ebook

Elementy robotyki dla początkujących

Robotyka jest bardzo ciekawą dziedziną inżynierii o ogromnym znaczeniu praktycznym. Wymaga znajomości kilku dyscyplin wiedzy, takich jak algorytmika, matematyka czy mechanika. Równocześnie roboty oddziałują na wyobraźnię i są przedmiotem zainteresowania uczniów na każdym poziomie edukacji, od przedszkolnego po uniwersytecki. O ile jednak początkowe zapoznawanie się z robotami polega głównie na zabawie i eksperymentach, o tyle poważniejsze studiowanie robotyki oznacza konieczność przyswojenia złożonych zagadnień, takich jak algorytmy robotyczne.

W tej książce gruntownie wyjaśniono reguły robotyki, pokazano także, w jaki sposób przechodzi się od teoretycznych algorytmów do działania rzeczywistego robota. Znajdziemy tutaj przegląd różnego rodzaju robotów, jak również tworzących je podzespołów, jednak najważniejszą częścią publikacji jest omówienie algorytmów robotycznych - od odometrii i sterowania ze sprzężeniem zwrotnym po przetwarzanie obrazów i uczenie maszynowe. Poszczególne algorytmy zostały przedstawione za pomocą pseudokodu, co pozwoli na ich implementację w różnych językach programowania. Mogą zostać użyte w większości robotów edukacyjnych wyposażonych w dwusilnikowy napęd różnicowy, czujniki zbliżeniowe i moduł wyświetlania wyników użytkownikowi. Zawarty tu materiał pozwoli się dobrze przygotować do zaawansowanych studiów robotyki.

W książce między innymi:

• roboty i ich zastosowanie
• czujniki i zachowanie reaktywne robota
• ruch robota i sterowanie nim
• nawigacja robota mobilnego: omijanie przeszkód i wykorzystywanie map
• zastosowanie sieci neuronowych i uczenia maszynowego w robotach
• robotyka roju i kinematyka manipulatora robotycznego

Algorytmy robotyczne: zrozum i zaimplementuj!

Przedmowa

Rozdział 1. Roboty i ich zastosowania

• 1.1. Klasyfikacja robotów
• 1.2. Roboty przemysłowe
• 1.3. Autonomiczne roboty mobilne
• 1.4. Roboty humanoidalne
• 1.5. Roboty edukacyjne
  • Gotowe roboty mobilne
  • Zestawy robotyczne
  • Ramiona robota
  • Środowisko programistyczne
• 1.6. Robot ogólny
  • 1.6.1. Napęd różnicowy
  • 1.6.2. Czujniki zbliżeniowe
  • 1.6.3. Czujniki podłoża
  • 1.6.4. Wbudowany komputer
• 1.7. Formalizm algorytmiczny
• 1.8. Przegląd treści książki
• 1.9. Podsumowanie
• 1.10. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 2. Czujniki

• 2.1. Podział czujników
• 2.2. Czujniki odległości
  • 2.2.1. Ultradźwiękowe czujniki odległości
  • 2.2.2. Czujniki zbliżeniowe na podczerwień
  • 2.2.3. Optyczne czujniki odległości
  • 2.2.4. Czujniki triangulacyjne
  • 2.2.5. Skanery laserowe
• 2.3. Kamery
• 2.4. Pozostałe czujniki
• 2.5. Zakres, rozdzielczość, precyzja, dokładność
• 2.6. Nieliniowość
  • 2.6.1. Czujniki liniowe
  • 2.6.2. Czujniki nieliniowe
• 2.7. Podsumowanie
• 2.8. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 3. Zachowanie reaktywne

• 3.1. Pojazdy Braitenberga
• 3.2. Reagowanie na wykrycie obiektu
• 3.3. Reagowanie i skręcanie
• 3.4. Podążanie za linią
  • 3.4.1. Podążanie za linią za pomocą dwóch czujników podłoża
  • 3.4.2. Podążanie za linią za pomocą tylko jednego czujnika podłoża
  • 3.4.3. Bezgradientowe podążanie za linią
• 3.5. Prezentacja pojazdów Braitenberga
• 3.6. Podsumowanie
• 3.7. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 4. Maszyny stanów skończonych

• 4.1. Maszyny stanowe
• 4.2. Zachowanie reaktywne sterowane stanem
• 4.3. Szukaj i podjedź
• 4.4. Implementacja maszyn stanów skończonych
• 4.5. Podsumowanie
• 4.6. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 5. Ruch robota i odometria

• 5.1. Droga, prędkość i czas
• 5.2. Przyspieszenie jako zmiana prędkości
• 5.3. Od odcinków do ruchu ciągłego
• 5.4. Nawigacja za pomocą odometrii
• 5.5. Odometria liniowa
• 5.6. Odometryczne mierzenie zakrętów
• 5.7. Błędy odometryczne
• 5.8. Kodery (enkodery) kół
• 5.9. Bezwładnościowe systemy nawigacji
  • 5.9.1. Akcelerometry (przyspieszeniomierze)
  • 5.9.2. Żyroskopy
  • 5.9.3. Zastosowania
• 5.11. Względna liczba elementów wykonawczych i stopni swobody
• 5.12. Ruch holonomiczny i nieholonomiczny
• 5.13. Podsumowanie
• 5.14. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 6. Sterowanie

• 6.1. Modele sterowania
  • 6.1.1. Sterowanie w pętli otwartej
  • 6.1.2. Sterowanie w pętli zamkniętej
  • 6.1.3. Okres algorytmu sterowania
• 6.2. Sterowanie typu "on-off"
• 6.3. Regulator proporcjonalny
• 6.4. Regulator proporcjonalno-całkujący
• 6.5. Sterownik proporcjonalno-całkująco-różniczkujący
• 6.6. Podsumowanie
• 6.7. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 7. Nawigacja lokalna: omijanie przeszkód

• 7.1. Unikanie przeszkód
  • 7.1.1. Podążanie wzdłuż ściany
  • 7.1.2. Ukierunkowane podążanie wzdłuż ściany
  • 7.1.3. Algorytm Pledge'a
• 7.2. Podążanie wzdłuż oznakowanej linii
• 7.3. Mrówki poszukujące źródła pożywienia
• 7.4. Model probabilistyczny zachowania mrówek
• 7.5. Maszyna stanów skończonych dla algorytmu wyszukiwania ścieżki
• 7.6. Podsumowanie
• 7.7. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 8. Lokalizacja

• 8.1. Punkty charakterystyczne
• 8.2. Określanie pozycji na podstawie obiektów o znanym położeniu
  • 8.2.1. Określanie położenia za pomocą kąta i odległości
  • 8.2.2. Określanie położenia za pomocą triangulacji
• 8.3. Globalny system pozycjonowania
• 8.4. Lokalizacja probabilistyczna
  • 8.4.1. Pomiary czujników zwiększają pewność
  • 8.4.2. Niepewność w pomiarach
• 8.5. Niepewność ruchu
• 8.6. Podsumowanie
• 8.7. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 9. Budowanie map

• 9.1. Mapy dyskretne i ciągłe
• 9.2. Zawartość komórek na mapie z siatką współrzędnych
• 9.3. Tworzenie mapy przez eksplorację: algorytm rubieżowy
  • 9.3.1. Mapa z siatką współrzędnych i prawdopodobieństwami obłożenia
  • 9.3.2. Algorytm rubieżowy
  • 9.3.3. Priorytet w algorytmie rubieżowym
• 9.4. Budowanie mapy na podstawie znajomości środowiska
• 9.5. Przykład numeryczny algorytmu SLAM
• 9.6. Czynności ukazujące działanie algorytmu SLAM
• 9.7. Formalizacja algorytmu SLAM
• 9.8. Podsumowanie
• 9.9. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 10. Nawigacja na podstawie map

• 10.1. Algorytm Dijkstry dla map z siatką współrzędnych
  • 10.1.1. Algorytm Dijkstry dla map z siatką współrzędnych o stałym koszcie
  • 10.1.2. Algorytm Dijkstry dla map z siatką współrzędnych o zmiennych kosztach
• 10.2. Algorytm Dijkstry dla map ciągłych
• 10.3. Planowanie trasy za pomocą algorytmu A*
• 10.4. Podążanie za ścieżką i unikanie przeszkód
• 10.5. Podsumowanie
• 10.6. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 11. Sterowanie za pomocą logiki rozmytej

• 11.1. Rozmycie
• 11.2. Stosowanie reguł
• 11.3. Wyostrzenie
• 11.4. Podsumowanie
• 11.5. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 12. Przetwarzanie obrazów

• 12.1. Otrzymywanie obrazów
• 12.2. Przegląd typów przetwarzania obrazów cyfrowych
• 12.3. Usprawnianie obrazów
  • 12.3.1. Filtry przestrzenne
  • 12.3.2. Manipulowanie histogramem
• 12.4. Wykrywanie krawędzi
• 12.5. Wykrywanie rogów
• 12.6. Wykrywanie plam
• 12.7. Podsumowanie
• 12.8. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 13. Sieci neuronowe

• 13.1. Biologiczny układ nerwowy
• 13.2. Model sztucznej sieci neuronowej
• 13.3. Implementacja pojazdu Braitenberga za pomocą sieci ANN
• 13.4. Sztuczne sieci neuronowe: topologie
  • 13.4.1. Topologia wielowarstwowa
  • 13.4.2. Pamięć
  • 13.4.3. Filtr przestrzenny
• 13.5. Uczenie
  • 13.5.1. Rodzaje algorytmów uczących
  • 13.5.2. Reguła Hebba w uczeniu sieci neuronowych
• 13.6. Podsumowanie
• 13.7. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 14. Uczenie maszynowe

• 14.1. Rozróżnianie dwóch kolorów
  • 14.1.1. Wyróżnik otrzymany na podstawie średnich
  • 14.1.2. Wyróżnik otrzymany na podstawie średnich i wariancji
  • 14.1.3. Algorytm służący do nauki rozpoznawania kolorów
• 14.2. Liniowa analiza dyskryminacyjna
  • 14.2.1. Motywacja
  • 14.2.2. Wyróżnik liniowy
  • 14.2.3. Wybór punktu dla wyróżnika liniowego
  • 14.2.4. Wybór współczynnika kierunkowego
  • 14.2.5. Obliczanie wyróżnika liniowego: przykład numeryczny
  • 14.2.6. Porównywanie jakości wyróżników
  • 14.2.7. Czynności związane z analizą LDA
• 14.3. Uogólnienie wyróżnika liniowego
• 14.4. Perceptrony
  • 14.4.1. Wykrywanie zboczy
  • 14.4.2. Klasyfikacja za pomocą perceptronów
  • 14.4.3. Uczenie perceptronu
  • 14.4.4. Przykład numeryczny
  • 14.4.5. Strojenie parametrów perceptronu
• 14.5. Podsumowanie
• 14.6. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 15. Robotyka roju

• 15.1. Strategie koordynowania współpracy robotów
• 15.2. Koordynacja na podstawie lokalnej wymiany informacji
  • 15.2.1. Komunikacja bezpośrednia
  • 15.2.2. Komunikacja pośrednia
  • 15.2.3. Algorytm BeeClust
  • 15.2.4. Implementacja algorytmu BeeClust przez projekt ASSISIbf
• 15.3. Robotyka roju wykorzystująca oddziaływania fizyczne
  • 15.3.1. Współpraca przy fizycznym zadaniu
  • 15.3.2. Łączenie sił wielu robotów
  • 15.3.3. Zbiorowe przesuwanie z użyciem okluzji
• 15.4. Podsumowanie
• 15.5. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Rozdział 16. Kinematyka manipulatora robotycznego

• 16.1. Kinematyka prosta
• 16.2. Kinematyka odwrotna
• 16.3. Rotacje
  • 16.3.1. Rotacja wektora
  • 16.3.2. Rotacja układu współrzędnych
  • 16.3.3. Przekształcenie wektora z jednego układu współrzędnych do innego
• 16.4. Rotacja i translacja układu współrzędnych
• 16.5. Przedsmak rotacji trójwymiarowych
  • 16.5.1. Rotacje wokół trzech osi
  • 16.5.2. Reguła prawej dłoni
  • 16.5.3. Macierze trójwymiarowych obrotów
  • 16.5.4. Rotacje wielokrotne
  • 16.5.5. Kąty Eulera
  • 16.5.6. Liczba oddzielnych rotacji kątów Eulera
• 16.6. Zaawansowane zagadnienia związane z przekształceniami trójwymiarowymi
• 16.7. Podsumowanie
• 16.8. Literatura uzupełniająca
• Bibliografia

Dodatek A. Jednostki miary

Dodatek B. Podstawy matematyczne