Jak zaprogramować robota. Zastosowanie Raspberry Pi i Pythona w tworzeniu autonomicznych robotów - ebook

Coraz więcej złożonych, powtarzalnych zadań powierzamy automatom. Inteligentny robot nigdy się nie znudzi, nie zmęczy i będzie cały czas pracował z zadaną prędkością. Zapewnia nam to odpowiednią wydajność i bardzo dużą dokładność wykonywanych czynności. Oczywiście aby osiągnąć te korzyści, najpierw trzeba robota zbudować i zaprogramować. Warto spróbować własnych sił w tej materii. Wiedza o programowaniu autonomicznych robotów jest coraz cenniejsza na rynku pracy, a samo budowanie robotów i ich programowanie może być niesamowicie interesującym hobby!

Ta książka stanowi przystępne wprowadzenie do świata projektantów i budowniczych robotów. Dzięki niej dowiesz się, jak wybrać potrzebne podzespoły, jak je ze sobą połączyć i jak wykorzystywać poszczególne urządzenia wejścia i wyjścia. Posłużysz się w tym celu płytką Raspberry Pi i kompatybilnymi z nią podzespołami. Następnie napiszesz w Pythonie kod, dzięki któremu wzbogacisz swojego robota o sztuczną inteligencję i połączysz się z nim przez Wi-Fi za pomocą smartfonu. Zdobędziesz również wiedzę, w jaki sposób realizować bardziej złożone projekty z zakresu robotyki, a także przygotujesz się, aby zwizualizować, zaprojektować, zbudować i zaprogramować robota według własnego pomysłu.

Z tą książką:

• skonfigurujesz Raspberry Pi pod kątem zbudowania robota ze sztuczną inteligencją
• podłączysz silniki i czujniki do Raspberry Pi
• zaprogramujesz inteligentnego robota
• wykorzystasz technologie rozpoznawania mowy i przetwarzania obrazu
• nauczysz się sterowania robotem ze sztuczną inteligencją przez Wi-Fi za pomocą smartfonu
• zaczniesz samodzielnie projektować i budować roboty

Zbuduj i zaprogramuj inteligentnego robota!

• O autorze
• O korektorach
• Wstęp
  • Dla kogo jest ta książka?
  • O czym jest ta książka?
  • Co trzeba wiedzieć?
  • Pobieranie przykładów do książki
  • Kod w akcji
  • Pobieranie kolorowych rysunków
  • Konwencje typograficzne przyjęte w tej książce
• Część I Podstawy robotyki
• Rozdział 1. Wprowadzenie do robotyki
  • Co oznacza słowo robot?
  • Przykłady zaawansowanych i imponujących robotów
    • Łaziki marsjańskie
  • Roboty w domu
    • Pralka
    • Inne roboty w domu
  • Roboty w przemyśle
    • Robotyczne ramiona
    • Roboty magazynowe
  • Roboty edukacyjne, hobbystyczne i biorące udział w zawodach
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 2. Odkrywanie elementów robota kod i elektronika
  • Wymagania techniczne
  • Z czego zbudowany jest robot?
  • Rodzaje części robota
    • Rodzaje silników
    • Inne elementy wykonawcze
    • Wskaźniki stanu wyświetlacze, światła i dźwięki
    • Rodzaje czujników
  • Kontrolery oraz wejścia i wyjścia
    • Piny wejścia/wyjścia
    • Kontrolery
    • Wybór Raspberry Pi
  • Projekt z uwzględnieniem części i struktury kodu
  • Projekt fizycznej budowy robota
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 3. Odkrywanie Raspberry Pi
  • Wymagania techniczne
  • Odkrywanie możliwości Raspberry Pi
    • Prędkość i moc
    • Złącza i praca w sieci
    • Wybór Raspberry Pi 3A+
  • Wybór złączy
    • Piny zasilania
    • Magistrale danych
    • Ogólne wejścia/wyjścia
    • Nakładki Hat do Raspberry Pi
  • Czym jest Raspberry Pi OS?
  • Przygotowanie karty SD za pomocą Raspberry Pi Imager
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 4. Przygotowanie Raspberry Pi pod robota
  • Wymagania techniczne
  • Czym jest system bez głowy i dlaczego jest praktycznym rozwiązaniem dla robota?
  • Konfiguracja Wi-Fi na Raspberry Pi i włączenie dostępu do SSH
  • Znalezienie swojego Raspberry Pi w sieci
    • Instalacja programu Bonjour w systemie Windows
    • Test programu Bonjour
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Łączenie się z Raspberry Pi za pomocą PuTTY lub SSH
  • Konfiguracja Raspberry Pi OS
    • Zmiana nazwy Raspberry Pi
    • Zabezpieczenie Raspberry Pi (choć w małym stopniu)
    • Ponowne uruchomienie Raspberry Pi i połączenie się z nim
    • Aktualizacja oprogramowania Raspberry Pi
    • Wyłączanie Raspberry Pi
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 5. Tworzenie kopii zapasowej kodu za pomocą Gita i karty pamięci SD
  • Wymagania techniczne
  • Jak kod może zostać uszkodzony lub utracony?
    • Utrata lub uszkodzenie danych na karcie SD
    • Zmiany w kodzie i ustawieniach
  • Strategia 1. Zapisywanie kodu na PC i przesyłanie go do Pi
  • Strategia 2. Użycie Gita do cofania się w czasie
  • Strategia 3. Tworzenie kopii zapasowych na karcie SD
    • Windows
    • Mac
    • Linux
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Część II Budowanie autonomicznego robota podłączanie czujników i silników do Raspberry Pi
• Rozdział 6. Podstawy budowania robota koła, zasilanie i połączenia
  • Wymagania techniczne
  • Wybór podwozia robota
    • Rozmiar
    • Liczba kół
    • Koła i silniki
    • Prostota
    • Cena
    • Wnioski
  • Wybór sterownika silników
    • Stopień integracji
    • Wykorzystanie pinów
    • Rozmiar
    • Lutowanie
    • Zasilanie
    • Złącza
    • Wnioski
  • Zasilanie robota
  • Testowe dopasowanie elementów robota
  • Składanie podstawy robota
    • Montaż płytek enkodera
    • Montaż wsporników
      • Montaż plastikowych wsporników
      • Montaż metalowych wsporników
    • Montaż kółka samonastawnego
    • Zakładanie kół
    • Przygotowanie przewodów
    • Montaż Raspberry Pi
    • Dodanie baterii
      • Montaż banku energii
      • Montaż koszyka na baterie
    • Gotowa podstawa robota
  • Podłączanie silników do Raspberry Pi
    • Podłączanie sterownika do silników i baterii
    • Niezależne zasilanie
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 7. Jazda do przodu i skręcanie wprawianie silników w ruch za pomocą Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Testowy kod dla silników
    • Przygotowanie bibliotek
    • Test wyszukanie nakładki sterownika silników
    • Test pokazanie, że silniki się kręcą
    • Rozwiązywanie problemów
    • Omówienie kodu
  • Sterowanie robotem
    • Rodzaje sterowania
      • Koła skrętne
      • Koła stałe
      • Inne systemy kierowania
    • Kierowanie budowanym przez nas robotem
  • Obiekt Robot kod do eksperymentów związanych z komunikacją z robotem
    • Dlaczego warto utworzyć ten obiekt?
    • Z czego się składa obiekt Robot?
  • Skrypt pokonania z góry określonej ścieżki
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 8. Programowanie czujników odległości za pomocą Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Wybór między czujnikami optycznymi a ultradźwiękowymi
    • Optyczne czujniki odległości
    • Ultradźwiękowe czujniki odległości
    • Stany logiczne i przesuwanie poziomów napięcia
    • Dlaczego dwa czujniki?
  • Podłączanie czujnika ultradźwiękowego i odczytywanie z niego danych
    • Montaż czujników
    • Dodawanie przełącznika zasilania
    • Podłączanie czujników odległości
    • Instalacja bibliotek Pythona do komunikacji z czujnikiem
    • Odczytywanie odległości z czujnika ultradźwiękowego
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Unikanie ścian skrypt omijania przeszkód
    • Dodawanie czujników do klasy Robot
    • Zachowania polegające na omijaniu przeszkód
      • Pierwsza próba omijania przeszkód
      • Bardziej zaawansowane omijanie przeszkód
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 9. Programowanie pasków LED RGB za pomocą Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Czym jest pasek LED RGB?
  • Porównanie technologii stosowanych w paskach świetlnych
    • Wartości RGB
  • Podłączanie pasków LED RGB do Raspberry Pi
    • Podłączanie paska LED
  • Pisanie kodu dla diod LED
    • Tworzenie interfejsu LED
    • Dodawanie klasy Leds do klasy Robot
    • Test jednej diody LED
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Test wszystkich diod LED
  • Wyświetlanie tęczy za pomocą diod LED
    • Modele przestrzeni barw
      • Odcień
      • Nasycenie
      • Wartość
      • Zamiana HSV na RGB
    • Wyświetlanie tęczy na pasku LED
  • Wykorzystanie paska LED RGB do rozwiązywania problemów z unikaniem przeszkód
    • Dodawanie diod LED do zachowania unikania przeszkód
    • Dodawanie kolorów tęczy
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 10. Sterowanie serwomotorami za pomocą Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Czym są serwomotory?
    • Budowa serwomotoru
    • Wysyłanie pozycji do serwomotorów
  • Ustawianie serwomotoru za pomocą Raspberry Pi
    • Kod obracający serwomotorem
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Sterowanie silnikami prądu stałego i serwomotorami
    • Kalibracja serwomotorów
  • Dodawanie mechanizmu uchylno-obrotowego
    • Budowa mechanizmu uchylno-obrotowego
    • Montaż mechanizmu uchylno-obrotowego na robocie
  • Kod dla mechanizmu uchylno-obrotowego
    • Obiekt serwomotoru
    • Dodawanie serwomotoru do klasy robota
    • Kręcenie mechanizmem uchylno-obrotowym
    • Uruchamianie mechanizmu uchylno-obrotowego
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Budowanie sonaru
    • Montaż czujnika
    • Instalacja bibliotek
    • Kod zachowania
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 11. Programowanie enkoderów za pomocą Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Pomiar przejechanego dystansu za pomocą enkoderów
    • Zastosowanie enkoderów
    • Rodzaje enkoderów
    • Określanie położenia bezwzględnego i względnego
    • Określanie kierunku i prędkości
    • Enkodery w naszym robocie
  • Montaż enkoderów
    • Przygotowanie enkoderów
    • Podnoszenie Raspberry Pi
    • Przymocowanie enkoderów do podwozia
    • Podłączanie enkoderów do Raspberry Pi
  • Wykrywanie pokonanej odległości za pomocą Pythona
    • Zapisywanie informacji w logu
    • Proste zliczanie
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Dodawanie enkoderów do obiektu robota
      • Wykorzystanie klasy enkoderów
      • Dodawanie urządzenia do obiektu robota
    • Przeliczanie tyknięć na milimetry
  • Jazda po linii prostej
    • Korygowanie toru jazdy za pomocą regulatora PID
    • Obiekt regulatora PID w Pythonie
    • Kod jazdy po linii prostej
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów dotyczących tego zachowania
  • Pokonanie zadanego dystansu
    • Refaktoryzacja zamiany jednostek w klasie EncoderCounter
    • Inicjalizacja stałych
    • Zachowanie polegające na pokonywaniu zadanej odległości
  • Skręcanie w określony sposób
    • Funkcja jazdy po łuku
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 12. Programowanie IMU za pomocą Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Urządzenia nawigacji inercyjnej
    • Polecane modele IMU
  • Lutowanie dodawanie złączy do IMU
    • Połączenia lutowane
  • Montaż IMU na robocie
    • Umiejscowienie czujnika na robocie
    • Podłączanie IMU do Raspberry Pi
  • Pomiar temperatury
    • Instalacja oprogramowania
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Odczytywanie pomiarów temperatury
      • Tworzenie interfejsu
      • Czym jest VPython?
      • Wykres temperatury
      • Rysowanie wykresu temperatury
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Uproszczenie linii poleceń systemu VPython
  • Odczytywanie danych z żyroskopu za pomocą Pythona
    • Zasada działania żyroskopu
      • Układy współrzędnych i obrót
    • Dodawanie żyroskopu do interfejsu
    • Wykres danych z żyroskopu
  • Odczytywanie danych z akcelerometru za pomocą Pythona
    • Zasada działania akcelerometru
    • Dodawanie akcelerometru do interfejsu
    • Wyświetlanie danych z akcelerometru w postaci wektora
  • Praca z magnetometrem
    • Zasada działania magnetometru
    • Dodawanie magnetometru do interfejsu
    • Wyświetlanie danych z magnetometru
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Część III Słyszenie i widzenie wyposażenie robota w inteligentne czujniki
• Rozdział 13. System wizyjny robota z wykorzystaniem bibliotek PiCamera i OpenCV
  • Wymagania techniczne
  • Konfiguracja kamery dla Raspberry Pi
    • Montaż kamery na mechanizmie uchylno-obrotowym
    • Podłączanie kamery
  • Konfiguracja oprogramowania do rozpoznawania obrazów
    • Konfiguracja oprogramowania kamery Pi
    • Zdjęcie z Raspberry Pi
    • Instalacja OpenCV i bibliotek pomocniczych
  • Tworzenie aplikacji dla Raspberry Pi do przesyłania obrazu
    • Projektowanie serwera kamery OpenCV
    • Obiekt CameraStream
    • Tworzenie głównej aplikacji serwera do przesyłania obrazów
    • Budowa szablonu
    • Uruchamianie serwera
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Wykonywanie zadań w tle w trakcie przesyłania obrazu
    • Tworzenie trzonu aplikacji webowej
    • Tworzenie sterowanego zachowania
    • Tworzenie szablonu na potrzeby sterowania
    • Uruchamianie sterowalnego serwera z obrazami
  • Podążanie za kolorowymi obiektami za pomocą Pythona
    • Zamiana obrazu na informacje
    • Rozbudowa regulatora PID
    • Dodawanie pozostałych elementów zachowania
      • Stworzenie szablonu do sterowania
      • Napisanie kodu zachowania
    • Uruchamianie zachowania
      • Dobieranie odpowiednich wartości dla regulatora PID
    • Wykrywanie i usuwanie problemów
  • Śledzenie twarzy za pomocą Pythona
    • Szukanie obiektów na obrazie
      • Całkowanie obrazów
      • Wyszukiwanie podstawowych cech
    • Projektowanie naszego zachowania
    • Kod odpowiedzialny za śledzenie twarzy
    • Uruchamianie zachowania polegającego na śledzeniu twarzy
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 14. Śledzenie linii z wykorzystaniem kamery i Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Śledzenie linii wprowadzenie
    • Czym jest śledzenie linii?
    • Zastosowanie w przemyśle
    • Rodzaje technik śledzenia linii
  • Tworzenie trasy testowej dla funkcji śledzenia linii
    • Przygotowanie niezbędnych materiałów
    • Wytyczanie linii
  • Proces śledzenia linii z wykorzystaniem komputerowego rozpoznawania obrazów
    • Algorytmy śledzenia linii za pomocą kamery
    • Proces rozpoznawania linii
  • Testowanie widzenia komputerowego za pomocą przykładowych obrazów
    • Dlaczego należy używać obrazów testowych?
    • Przygotowanie obrazów testowych
    • Kod Pythona znajdujący krawędzie linii
    • Określanie położenia linii na podstawie krawędzi
    • Obrazy testowe z niewyraźną linią
  • Śledzenie linii z wykorzystaniem algorytmu PID
    • Tworzenie schematu zachowania
    • Dodawanie czynnika czasu do regulatora PID
    • Tworzenie wstępnej wersji zachowania
    • Regulacja wartości PID
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Ponowne odnajdowanie linii
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 15. Komunikacja głosowa z robotem za pomocą programu Mycroft
  • Wymagania techniczne
  • Wprowadzenie do programu Mycroft terminologia asystenta głosowego
    • Zamiana mowy na tekst
    • Słowa wybudzające
    • Wypowiedzi
    • Intencja
    • Dialogi
    • Słownictwo
    • Umiejętności
  • Ograniczenia nasłuchiwania mowy przez robota
  • Dodawanie wejścia i wyjścia audio do Raspberry Pi
    • Montaż nakładki
    • Instalacja asystenta głosowego na Raspberry Pi
    • Instalacja oprogramowania nakładki ReSpeaker Pi
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Komunikacja programu Mycroft z kartą dźwiękową
    • Pierwsze kroki w programie Mycroft
      • Klient Mycroft
      • Rozmowa z asystentem głosowym Mycroft
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Programowanie API za pomocą modułu Flask
    • Zarys sterowania robotem za pomocą Mycroftu
    • Zdalne uruchamianie zachowania
      • Zarządzanie trybami robota
    • Programowanie interfejsu sterującego
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Programowanie asystenta głosowego w programie Mycroft
    • Tworzenie intencji
      • Plik konfiguracyjny
      • Plik z zależnościami
      • Tworzenie plików ze słownictwem
      • Pliki z odpowiedziami
      • Obecna struktura folderu umiejętności
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Dodawanie kolejnej intencji
      • Słownictwo i dialog
      • Dodawanie kodu
      • Próba po dodaniu nowej intencji
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 16. Więcej o IMU
  • Wymagania techniczne
  • Programowanie wirtualnego robota
    • Tworzenie modelu w VPythonie
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Wykrywanie obrotu za pomocą żyroskopu
    • Kalibracja żyroskopu
    • Obracanie wirtualnym robotem za pomocą żyroskopu
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Wykrywanie pochylenia i przechylenia za pomocą akcelerometru
    • Odczyt pochylenia i przechylenia z wektora akcelerometru
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Wygładzanie odczytów akcelerometrów
      • Przyrost czasu
    • Fuzja danych pomiarowych z akcelerometru i żyroskopu
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Wykrywanie odchylenia za pomocą magnetometru
    • Kalibracja magnetometru
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
      • Sprawdzanie danych uzyskanych podczas kalibracji
      • Co, jeśli koła nie nakładają się na siebie?
  • Odczytywanie przybliżonej wartości odchylenia robota z magnetometru
  • Zestawienie odczytów z czujników w celu ustalenia orientacji
    • Rozwiązanie problemu 180 stopni
  • Sterowanie robotem na podstawie danych z IMU
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 17. Sterowanie robotem za pomocą telefonu i Pythona
  • Wymagania techniczne
  • Gdy nie działa sterowanie głosem dlaczego musimy mieć możliwość sterowania
  • Menu wybieranie zachowań dla robota
    • Zarządzanie trybami robota
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
    • Usługa sieciowa
    • Szablon
    • Uruchamianie aplikacji
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Wybór kontrolera jak będziemy sterować robotem i dlaczego
    • Projekt i ogólny zarys
  • Przygotowanie Raspberry Pi do zdalnego sterowania przygotowanie podstawowego systemu sterowania
    • Rozbudowa podstawowej aplikacji do obsługi obrazów
    • Budowa systemu ręcznego sterowania
    • Szablon (strona internetowa)
    • Arkusz stylów
    • Programowanie suwaków
    • Uruchamianie ręcznego sterowania
    • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Robot w pełni sterowany za pomocą telefonu
    • Tryby menu kompatybilne z zachowaniami opartymi na module Flask
    • Wgrywanie usług wideo
    • Nadanie menu stylu
      • Przekształcanie linków menu w przyciski
  • Menu startowe dla Raspberry Pi
    • Dodawanie diody do serwera menu
    • Automatyczne uruchamianie robota za pomocą systemd
      • Wykrywanie i rozwiązywanie problemów
  • Podsumowanie
  • Ćwiczenia
  • Lektura uzupełniająca
• Część IV Kontynuacja przygody z robotyką
• Rozdział 18. Rozwijanie umiejętności z zakresu robotyki
  • Społeczności konstruktorów robotów w sieci fora i media społecznościowe
    • Kanały w serwisie YouTube, które warto znać
    • Pytania natury technicznej gdzie szukać pomocy?
  • Spotkania konstruktorów robotów zawody, miejsca dla twórców, spotkania
    • Przestrzeń dla twórców
    • Targi twórców, Raspberry Jams i Doja
    • Zawody
  • Propozycje nowych umiejętności do zdobycia druk 3D, lutowanie, PCB i CNC
    • Projektowanie
      • Projekty 2D i schematy
      • 3D CAD
    • Umiejętności związane z formowaniem i budowaniem
      • Umiejętności obsługi maszyn i narzędzi
      • Umiejętności manualne i narzędzia
    • Umiejętności związane z elektroniką
      • Zasady w elektronice
      • Rozwijanie umiejętności lutowania
      • Niestandardowe obwody
  • Wzbogacanie wiedzy o rozpoznawaniu obrazów
    • Książki
    • Kursy internetowe
    • Media społecznościowe
  • Wzbogacanie swojej wiedzy o uczenie maszynowe
    • Platforma programistyczna ROS
  • Podsumowanie
  • Lektura uzupełniająca
• Rozdział 19. Projekt kolejnego robota podsumowanie
  • Wymagania techniczne
  • Wizualizacja Twojego następnego robota
  • Tworzenie schematu blokowego
  • Wybór części
    • Schemat testowego dopasowania elementów robota
    • Zakup części
    • Składanie robota
  • Planowanie kodu dla robota
    • Warstwy oprogramowania
    • Schematy przepływu danych
    • Ogólnie przyjęte formy schematów
    • Programowanie robota
  • Przedstawienie światu swojego projektu
  • Podsumowanie