Метка: Raspberry Pi

Опубликовано

Встречайте 4-е издание книги: “Raspberry Pi. Сборник рецептов.”

Raspberry Pi. Сборник рецептов.

Книга содержит более 200 рецептов по работе с микрокомпьютером Raspberry Pi, рассматривающих как программные, так и аппаратные  задачи. Показана установка и настройка операционной системы для Raspberry Pi, подключение датчиков и двигателей, способы интеграции Raspberry Pi в систему умного дома и сеть Интернета вещей. Рассмотрен язык Python в контексте программирования микроконтроллеров, разобраны продвинутые возможности Python, важные при создании сценариев и автоматизации процессов. В четвертом издании добавлены главы, рассказывающие о  возможностях машинного обучения и о работе с уменьшенной версией платы – Raspberry Pi Pico.

Для специалистов по Raspberry Pi и программированию электроники

Из предисловия к книге

Выпущенный в 2011 году, Raspberry Pi нашел применение и как очень недорогой компьютер на базе Linux, и как платформа для встраиваемых вычислений. Он оказался популярен как среди преподавателей, так и среди любителей.

На момент написания книги было продано более 40 миллионов Raspberry Pi. Raspberry Pi 4 с опцией 8 ГБ памяти делает Raspberry Pi более чем достаточно мощным для использования в качестве замены настольного компьютера, а Pi 400 со встроенной клавиатурой делает очень способную замену настольного компьютера.

Доступность программного обеспечения Linux с открытым исходным кодом для просмотра интернета, электронной почты, офисных пакетов и редактирования фотографий наверняка сделает Raspberry Pi еще более популярным.

Даже новейшие Raspberry Pi 4 и Pi 400 по-прежнему включают в себя универсальные контакты ввода/вывода (GPIO), которые позволяют любителям добавлять собственные электронные устройства к Raspberry Pi.

Перед вами четвертое издание признанного бестселлера о работе с Raspberry Pi, в котором предлагается более 200 практических рецептов с подробным кодом.

В них рассмотрено, как работать с этим крошечным дешёвым компьютером под Linux, программировать его на Python, подключать к нему датчики и двигатели, а также использовать для Интернета вещей (IoT). В четвертом издании содержатся новые главы о Raspberry Pi Pico и о машинном обучении с Raspberry Pi.

Автор книги излагает базовые принципы работы с платформой и рассказывает, как использовать различные новые технологии на Raspberry Pi.

Шаг за шагом вы узнаете, как:

  • настроить компьютер Raspberry Pi и подключить его к сети;
  • работать с Linux-подобной операционной системой Raspberry Pi OS;
  • писать программы для Raspberry Pi на Python;
  • сделать ваш Pi «зрячим» с помощью компьютерного зрения;
  • распознавать звуки и объекты на видео, используя машинное обучение;
  • управлять оборудованием с помощью разъема GPIO;
  • использовать Raspberry Pi для управления различными двигателями и дисплеями;
  • обращаться с переключателями, джойстиками и другими цифровыми устройствами ввода;
  • использовать датчики для измерения температуры, освещенности и расстояния;
  • подключаться к устройствам IoT различными способами и автоматизировать свой дом;
  • работать с микроконтроллерной платой Raspberry Pi Pico.

Книгу “Raspberry Pi. Сборник рецептов. 4-е издание“.

Предисловие к четвертому изданию……………………………………………………….. 14

Как пользоваться этой книгой?………………………………………………………………………………………………… 15

Условные обозначения……………………………………………………………………………………………………………… 16

Использование примеров кода…………………………………………………………………………………………………. 16

Как с нами связаться?………………………………………………………………………………………………………………… 17

Благодарности…………………………………………………………………………………………………………………………… 18

Глава 1. Настройка и управление………………………………………………………….. 19

1.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………………. 19

1.1. Выбор модели Raspberry Pi………………………………………………………………………………………………… 19

1.2. Подключение компонентов системы…………………………………………………………………………………. 24

1.3. Как снабдить устройство Raspberry Pi корпусом?…………………………………………………………… 26

1.4. Выбор источника питания…………………………………………………………………………………………………. 29

1.5. Выбор операционной системы………………………………………………………………………………………….. 32

1.6. Установка операционной системы с помощью программы Raspberry Pi Imager………….. 33

1.7. Первая загрузка устройства Raspberry Pi…………………………………………………………………………. 35

1.8. Настройка Raspberry Pi для работы в бездисплейном режиме……………………………………….. 37

1.9. Загрузка с внешнего жесткого диска или флеш-накопителя с интерфейсом USB…………. 39

1.10. Подключение монитора с разъемом DVI или VGA………………………………………………………… 41

1.11. Использование монитора/телевизора с композитным видеовходом……………………………. 42

1.12. Настройка размера изображения, выводимого на экран монитора…………………………….. 44

1.13. Обеспечение максимальной производительности устройства…………………………………….. 46

1.14. Изменение своего пароля…………………………………………………………………………………………………. 48

1.15. Выключение устройства Raspberry Pi…………………………………………………………………………….. 49

1.16. Подключение к Raspberry Pi модуля камеры………………………………………………………………….. 51

1.17. Использование интерфейса Bluetooth…………………………………………………………………………….. 54

Глава 2. Работа с сетями………………………………………………………………………… 57

2.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………………. 57

2.1. Подключение к проводной сети…………………………………………………………………………………………. 57

2.2. Определение IP-адреса устройства…………………………………………………………………………………… 59

2.3. Настройка статического IP-адреса…………………………………………………………………………………… 60

2.4. Задание сетевого имени устройству Raspberry Pi……………………………………………………………. 63

2.5. Настройка беспроводного подключения………………………………………………………………………….. 65

2.6. Подключение с помощью консольного кабеля………………………………………………………………… 67

2.7. Удаленное управление устройством Raspberry Pi с использованием протокола SSH…. 72

2.8. Удаленное управление устройством Raspberry Pi с использованием протокола VNC… 74

2.9. Использование Raspberry Pi в качестве сетевого хранилища…………………………………………. 76

2.10. Настройка сетевого принтера…………………………………………………………………………………………. 79

Глава 3. Операционная система…………………………………………………………….. 82

3.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………………. 82

3.1. Работа с файлами с использованием графического интерфейса……………………………………. 82

3.2. Копирование файлов на флеш-накопитель с интерфейсом USB…………………………………….. 84

3.3. Открытие окна терминала………………………………………………………………………………………………….. 85

3.4. Перемещение по файловой системе с использованием терминала………………………………… 87

3.5. Копирование файла или папки………………………………………………………………………………………….. 90

3.6. Переименование файла или папки…………………………………………………………………………………….. 92

3.7. Редактирование файла……………………………………………………………………………………………………….. 92

3.8. Просмотр содержимого файла…………………………………………………………………………………………… 95

3.9. Создание файла без использования редактора……………………………………………………………….. 95

3.10. Создание каталога……………………………………………………………………………………………………………. 96

3.11. Удаление файла или каталога…………………………………………………………………………………………. 97

3.12. Выполнение задач с правами суперпользователя…………………………………………………………. 98

3.13. Что такое права доступа к файлам?……………………………………………………………………………….. 99

3.14. Изменение прав доступа к файлам………………………………………………………………………………… 101

3.15. Изменение информации о владельце файла…………………………………………………………………. 102

3.16. Получение снимка экрана……………………………………………………………………………………………… 103

3.17. Установка программного обеспечения с помощью менеджера пакетов apt…………….. 104

3.18. Удаление программного обеспечения, установленного с помощью менеджера пакетов apt      106

3.19. Установка Python-пакетов с помощью утилиты pip3………………………………………………….. 107

3.20. Скачивание файлов в окне терминала………………………………………………………………………….. 107

3.21. Скачивание исходного кода с помощью утилиты Git…………………………………………………. 108

3.22. Скачивание кода, используемого в этой книге…………………………………………………………….. 111

3.23. Автоматический запуск программы на этапе начальной загрузки……………………………. 113

3.24. Автоматический запуск программы в качестве службы……………………………………………… 114

3.25. Автоматический запуск программы с регулярным временным интервалом…………….. 116

3.26. Поиск файла…………………………………………………………………………………………………………………….. 117

3.27. Использование истории командной строки………………………………………………………………….. 118

3.28. Отслеживание степени загруженности процессора…………………………………………………….. 120

3.29. Работа с файловыми архивами……………………………………………………………………………………… 122

3.30. Отображение списка подключенных USB-устройств…………………………………………………. 123

3.31. Перенаправление вывода из командной строки в файл………………………………………………. 123

3.32. Конкатенация файлов…………………………………………………………………………………………………….. 124

3.33. Использование конвейеров…………………………………………………………………………………………….. 125

3.34. Скрытие вывода команд в окне терминала………………………………………………………………….. 125

3.35. Запуск программ в фоновом режиме…………………………………………………………………………….. 126

3.36. Создание псевдонима команды…………………………………………………………………………………….. 127

3.37. Настройка даты и времени…………………………………………………………………………………………….. 128

3.38. Получение информации об объеме доступного пространства на SD-карте……………… 128

3.39. Получение информации об используемой версии операционной системы………………. 129

3.40. Обновление операционной системы Raspberry Pi OS………………………………………………….. 130

Глава 4. Использование готового программного обеспечения……………… 132

4.0. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….. 132

4.1. Создание медиацентра…………………………………………………………………………………………………….. 132

4.2. Установка рекомендуемого программного обеспечения………………………………………………. 134

4.3. Использование офисного программного обеспечения………………………………………………….. 136

4.4. Запуск эмулятора винтажной игровой приставки…………………………………………………………. 138

4.5. Превращение устройства Raspberry Pi в FM-передатчик……………………………………………… 140

4.6. Редактирование растровых изображений………………………………………………………………………. 142

4.7. Редактирование векторных изображений………………………………………………………………………. 143

4.8. Использование приложения Bookshelf……………………………………………………………………………. 145

4.9. Прослушивание интернет-радио…………………………………………………………………………………….. 146

4.10. Использование программы Visual Studio Code…………………………………………………………….. 147

4.11. Управление лазерным гравером……………………………………………………………………………………. 149

Глава 5. Основы программирования на языке Python………………………….. 154

5.0. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….. 154

5.1. Выбор между Python 2 и Python 3…………………………………………………………………………………… 154

5.2. Выбор редактора кода для языка Python……………………………………………………………………….. 155

5.3. Редактирование Python-программ в редакторе Thonny………………………………………………… 156

5.4. Редактирование Python-программ в редакторе Mu……………………………………………………….. 158

5.5. Использование консоли языка Python…………………………………………………………………………….. 162

5.6. Запуск Python-программ из терминала…………………………………………………………………………… 164

5.7. Присвоение значений переменным………………………………………………………………………………….. 165

5.8. Отображение результатов……………………………………………………………………………………………….. 166

5.9. Чтение пользовательского ввода…………………………………………………………………………………….. 167

5.10. Использование арифметических операторов………………………………………………………………. 167

5.11. Создание строк……………………………………………………………………………………………………………….. 169

5.12. Конкатенация (объединение) строк………………………………………………………………………………. 170

5.13. Преобразование чисел в строки…………………………………………………………………………………….. 171

5.14. Преобразование строки в число……………………………………………………………………………………. 171

5.15. Определение длины строки……………………………………………………………………………………………. 172

5.16. Определение позиции подстроки в строке……………………………………………………………………. 173

5.17. Извлечение части строки……………………………………………………………………………………………….. 173

5.18. Замена в строке одной подстроки на другую………………………………………………………………. 175

5.19. Перевод строки в верхний или нижний регистр…………………………………………………………… 175

5.20. Условное выполнение команд: оператор if………………………………………………………………….. 176

5.21. Сравнение значений……………………………………………………………………………………………………….. 177

5.22. Использование логических операторов……………………………………………………………………….. 179

5.23. Выполнение цикла определенное количество раз………………………………………………………. 180

5.24. Выполнение цикла до изменения результата условия………………………………………………… 181

5.25. Выход из цикла……………………………………………………………………………………………………………….. 181

5.26. Определение функции в языке Python…………………………………………………………………………… 182

Глава 6. Списки и словари в языке Python…………………………………………… 186

6.0. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….. 186

6.1. Создание списка……………………………………………………………………………………………………………….. 186

6.2. Осуществление доступа к элементам списка…………………………………………………………………. 187

6.3. Определение длины списка……………………………………………………………………………………………… 188

6.4. Добавление элементов в список………………………………………………………………………………………. 188

6.5. Удаление элементов из списка………………………………………………………………………………………… 189

6.6. Создание списка путем синтаксического анализа строки……………………………………………. 190

6.7. Итеративный обход списка……………………………………………………………………………………………… 191

6.8. Итеративный обход элементов списка с одновременным извлечением индекса элементов           192

6.9. Проверка наличия в списке определенного элемента…………………………………………………… 193

6.10. Сортировка списка…………………………………………………………………………………………………………. 194

6.11. Вырезание части списка………………………………………………………………………………………………… 194

6.12. Использование генератора списков………………………………………………………………………………. 195

6.13. Создание словаря……………………………………………………………………………………………………………. 197

6.14. Доступ к словарю……………………………………………………………………………………………………………. 199

6.15. Удаление элементов словаря…………………………………………………………………………………………. 200

6.16. Итеративный обход словаря………………………………………………………………………………………….. 200

Глава 7. Продвинутые возможности языка Python……………………………….. 202

7.0. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….. 202

7.1. Форматирование чисел…………………………………………………………………………………………………….. 202

7.2. Форматирование значений даты и времени…………………………………………………………………… 204

7.3. Возвращение нескольких значений…………………………………………………………………………………. 205

7.4. Определение класса………………………………………………………………………………………………………….. 206

7.5. Определение метода…………………………………………………………………………………………………………. 208

7.6. Наследование……………………………………………………………………………………………………………………. 209

7.7. Запись данных в файл………………………………………………………………………………………………………. 210

7.8. Чтение данных из файла…………………………………………………………………………………………………… 211

7.9. Использование модуля pickle для выгрузки и загрузки данных из файла…………………… 212

7.10. Обработка исключений………………………………………………………………………………………………….. 213

7.11. Использование модулей…………………………………………………………………………………………………. 215

7.12. Генерирование случайных чисел………………………………………………………………………………….. 217

7.13. Выполнение сетевых запросов из Python-кода……………………………………………………………. 218

7.14. Указание аргументов командной строки в языке Python…………………………………………….. 219

7.15. Запуск команд Linux из Python-кода…………………………………………………………………………….. 220

7.16. Отправка электронных писем из Python-кода……………………………………………………………… 221

7.17. Создание простого веб-сервера на языке Python…………………………………………………………. 224

7.18. «Ничегонеделание» в языке Python……………………………………………………………………………….. 226

7.19. Одновременное выполнение нескольких задач……………………………………………………………. 227

7.20. Синтаксический анализ данных в формате JSON………………………………………………………… 229

7.21. Сохранение словарей в виде JSON-файла……………………………………………………………………. 231

7.22. Создание пользовательских интерфейсов……………………………………………………………………. 232

7.23. Применение регулярных выражений для поиска совпадений в тексте
по заданному шаблону…………………………………………………………………………………………………… 234

7.24. Применение регулярных выражений для проверки корректности
введенных данных………………………………………………………………………………………………………….. 237

7.25. Применение регулярных выражений для автоматического извлечения данных из веб-страниц               238

Глава 8. Компьютерное зрение…………………………………………………………….. 240

8.0. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….. 240

8.1. Установка библиотеки OpenCV………………………………………………………………………………………. 240

8.2. Настройка USB-камеры для использования в системе компьютерного зрения………….. 241

8.3. Использование модуля камеры для Raspberry Pi в системе компьютерного зрения…… 243

8.4. Подсчет количества монет……………………………………………………………………………………………….. 244

8.5. Распознавание лиц……………………………………………………………………………………………………………. 247

8.6. Регистрация движения………………………………………………………………………………………………………. 250

8.7. Извлечение текста из изображения…………………………………………………………………………………. 253

Глава 9. Машинное обучение……………………………………………………………….. 254

9.0. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….. 254

9.1. Распознавание объектов в видеопотоке с помощью библиотеки TensorFlow Lite………. 255

9.2. Реагирование на наличие объектов в видеопотоке с помощью библиотеки TensorFlow Lite         257

9.3. Распознавание звуков с помощью библиотеки TensorFlow Lite……………………………………. 260

9.4. Реагирование на свист с помощью библиотеки TensorFlow Lite…………………………………… 261

9.5. Установка платформы Edge Impulse……………………………………………………………………………….. 264

9.6. Распознавание речевых команд (с помощью облачного сервиса)……………………………….. 265

9.7. Распознавание речевых команд (локальное)…………………………………………………………………. 270

9.8. Реагирование на речевые команды в Python-коде…………………………………………………………. 273

Глава 10. Основы работы с оборудованием………………………………………….. 276

10.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 276

10.1. Знакомство с разъемом GPIO…………………………………………………………………………………………. 276

10.2. Использование разъема GPIO на устройстве Raspberry Pi 400…………………………………… 279

10.3. Как не вывести из строя Raspberry Pi при использовании разъема GPIO………………….. 281

10.4. Настройка интерфейса I2C…………………………………………………………………………………………….. 282

10.5. Использование пакета i2c-tools…………………………………………………………………………………….. 284

10.6. Настройка интерфейса SPI…………………………………………………………………………………………….. 286

10.7. Установка библиотеки pyserial для обеспечения доступа
к последовательному порту из Python-кода…………………………………………………………………. 287

10.8. Установка утилиты Minicom для тестирования последовательного порта……………… 288

10.9. Использование макетной платы и соединительных проводов…………………………………… 290

10.10. Использование «осьминожного» модуля Raspberry Squid………………………………………… 291

10.11. Использование «осьминожного» модуля кнопки Raspberry Squid Button……………….. 293

10.12. Преобразование уровня сигнала с 5 до 3,3 В с помощью двух резисторов……………. 295

10.13. Преобразование уровня сигналов с 5 до 3,3 В с помощью модуля
преобразователя уровней…………………………………………………………………………………………….. 296

10.14. Запитывание Raspberry Pi от литий-полимерного аккумулятора…………………………….. 297

10.15. Основы работы с платой Sense HAT…………………………………………………………………………… 299

10.16. Основы работы с платой Explorer HAT Pro………………………………………………………………… 301

10.17. Создание собственной платы стандарта HAT…………………………………………………………… 302

10.18. Использование моделей Raspberry Pi Zero 2 и Zero 2 W……………………………………………. 305

Глава 11. Управление оборудованием………………………………………………….. 307

11.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 307

11.1. Подключение светодиода………………………………………………………………………………………………. 307

11.2. Перевод контактов GPIO в безопасное состояние перед выходом из программы……. 311

11.3. Управление яркостью светодиода………………………………………………………………………………… 312

11.4. Коммутация мощных устройств постоянного тока с помощью транзистора…………… 314

11.5. Коммутация мощных устройств с помощью реле……………………………………………………….. 317

11.6. Коммутация устройств с помощью твердотельного реле…………………………………………… 320

11.7. Управление высоковольтными устройствами переменного тока………………………………. 322

11.8. Управление оборудованием с помощью смартфона на ОС Android и технологии Bluetooth      323

11.9. Создание пользовательского интерфейса для включения и выключения устройств.. 326

11.10. Создание пользовательского интерфейса для ШИМ-управления мощностью светодиодов и двигателей           327

11.11. Создание пользовательского интерфейса для изменения цвета RGB-светодиода…. 329

11.12. Использование аналогового измерителя в качестве устройства отображения………. 331

Глава 12. Двигатели……………………………………………………………………………… 334

12.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 334

12.1. Управление сервоприводами…………………………………………………………………………………………. 334

12.2. Прецизионное управление сервоприводами………………………………………………………………… 339

12.3. Прецизионное управление несколькими сервоприводами………………………………………….. 342

12.4. Управление скоростью вращения двигателя постоянного тока…………………………………. 345

12.5. Управление направлением вращения двигателя постоянного тока…………………………… 347

12.6. Использование униполярного шагового двигателя…………………………………………………….. 350

12.7. Использование биполярного шагового двигателя……………………………………………………….. 355

12.8. Управление биполярным шаговым двигателем с помощью платы стандарта HAT… 357

Глава 13. Цифровые входы………………………………………………………………….. 360

13.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 360

13.1. Подключение кнопки………………………………………………………………………………………………………. 360

13.2. Использование кнопки для переключения между двумя состояниями………………………. 363

13.3. Использование двухпозиционного или ползункового переключателя……………………… 365

13.4. Использование трехпозиционного переключателя с выключением
в среднем положении……………………………………………………………………………………………………… 366

13.5. Устранение дребезга контактов, возникающего при нажатии кнопки………………………. 369

13.6. Использование внешнего подтягивающего резистора………………………………………………… 370

13.7. Использование импульсного датчика угла поворота…………………………………………………. 372

13.8. Использование цифровой клавиатуры………………………………………………………………………….. 375

13.9. Обнаружение движения………………………………………………………………………………………………….. 379

13.10. Подключение к Raspberry Pi GPS-модуля……………………………………………………………………. 381

13.11. Перехват нажатий клавиш…………………………………………………………………………………………… 383

13.12. Перехват движений мыши……………………………………………………………………………………………. 385

13.13. Снабжение устройства Raspberry Pi кнопкой питания……………………………………………… 386

Глава 14. Датчики………………………………………………………………………………… 390

14.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 390

14.1. Использование резистивных датчиков…………………………………………………………………………. 390

14.2. Измерение освещенности……………………………………………………………………………………………….. 394

14.3. Измерение температуры с помощью термистора………………………………………………………… 396

14.4. Обнаружение загазованности метаном………………………………………………………………………… 398

14.5. Измерение качества воздуха (концентрации CO2)……………………………………………………….. 401

14.6. Измерение влажности почвы…………………………………………………………………………………………. 403

14.7. Измерение напряжения…………………………………………………………………………………………………… 406

14.8. Снижение напряжения перед его измерением………………………………………………………………. 409

14.9. Использование резистивных датчиков совместно с АЦП……………………………………………. 411

14.10. Измерение температуры с помощью АЦП………………………………………………………………….. 413

14.11. Измерение температуры процессора устройства Raspberry Pi………………………………… 415

14.12. Измерение температуры, влажности и давления с помощью платы Sense HAT…….. 416

14.13. Измерение температуры с помощью цифрового датчика…………………………………………. 418

14.14. Измерение ускорения с помощью модуля MMA8452Q…………………………………………….. 421

14.15. Определение направления на магнитный север с помощью платы Sense HAT………. 426

14.16. Использование инерциального измерительного блока платы Sense HAT………………. 427

14.17. Обнаружение магнита с помощью геркона………………………………………………………………… 428

14.18. Обнаружение магнита с помощью платы Sense HAT……………………………………………….. 429

14.19. Измерение расстояния с помощью ультразвука………………………………………………………… 430

14.20. Измерение расстояния с помощью датчика времени пролета (Time-of-Flight)……….. 433

14.21. Наделение устройства Raspberry Pi тактильным интерфейсом……………………………….. 436

14.22. Чтение смарт-карт с помощью устройства для чтения/записи RFID-карт……………… 438

14.23. Отображение показаний датчика……………………………………………………………………………….. 442

14.24. Сохранение результатов измерений на флеш-накопителе с интерфейсом USB……… 443

Глава 15. Дисплеи………………………………………………………………………………… 447

15.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 447

15.1. Использование четырехразрядного светодиодного индикатора……………………………….. 447

15.2. Отображение графики на светодиодной матрице с интерфейсом I2C……………………….. 450

15.3. Использование светодиодного матричного дисплея платы Sense HAT…………………….. 452

15.4. Использование графического OLED-дисплея………………………………………………………………. 454

15.5. Использование адресуемой светодиодной ленты из RGB-светодиодов……………………. 457

15.6. Использование платы Pimoroni Unicorn HAT……………………………………………………………….. 461

15.7. Использование дисплея на основе «электронной бумаги»…………………………………………. 462

Глава 16. Звук………………………………………………………………………………………. 465

16.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 465

16.1. Подключение акустической системы……………………………………………………………………………. 465

16.2. Выбор выходного аудиоустройства…………………………………………………………………………….. 467

16.3. Воспроизведение звука на устройстве Raspberry Pi, не имеющем аудиоразъема…….. 468

16.4. Воспроизведение звука из командной строки………………………………………………………………. 470

16.5. Воспроизведение звука из Python-кода………………………………………………………………………… 471

16.6. Использование USB-микрофона……………………………………………………………………………………. 472

16.7. Генерирование зуммерного сигнала…………………………………………………………………………….. 474

Глава 17. Интернет вещей……………………………………………………………………. 476

17.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 476

17.1. Управление выходами GPIO с помощью веб-интерфейса…………………………………………… 476

17.2. Отображение показаний датчиков на веб-странице……………………………………………………. 481

17.3. Основы работы с редактором Node-RED……………………………………………………………………… 484

17.4. Отправка электронных писем и других уведомлений с помощью сервиса IFTTT……. 488

17.5. Отправка твитов с помощью сервиса ThingSpeak……………………………………………………….. 493

17.6. Изменение цвета светодиодов с помощью сервиса CheerLights…………………………………. 495

17.7. Отправка показаний датчика в канал сервиса ThingSpeak………………………………………… 497

17.8. Реагирование на твиты с использованием сервисов Dweet и IFTTT………………………….. 500

Глава 18. Домашняя автоматизация…………………………………………………….. 504

18.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 504

18.1. Превращение Raspberry Pi в брокер сообщений с помощью Mosquitto……………………… 504

18.2. Использование редактора Node-RED совместно с MQTT-сервером………………………….. 507

18.3. Прошивка умного выключателя Sonoff на основе Wi-Fi под использование протокола MQTT 513

18.4. Настройка умного выключателя Sonoff на основе Wi-Fi……………………………………………. 519

18.5. Управление подключаемым к Интернету выключателем Sonoff
с помощью протокола MQTT………………………………………………………………………………………… 521

18.6. Управление выключателем Sonoff с помощью редактора Node-RED………………………. 524

18.7. Включение и выключение различных приборов с помощью расширения Dashboard для редактора Node-RED 527

18.8. Выполнение запланированных действий с помощью редактора Node-RED……………. 532

18.9. Публикация MQTT-сообщений с помощью платы Wemos D1……………………………………. 534

18.10. Управление платой Wemos D1 с помощью редактора Node-RED…………………………… 537

Глава 19. Raspberry Pi Pico и Pico W…………………………………………………….. 540

19.0. Введение………………………………………………………………………………………………………………………….. 540

19.1. Подключение устройства Pico или Pico W к компьютеру……………………………………………. 542

19.2. Использование консоли языка Python на устройстве Pico………………………………………….. 545

19.3. Использование устройства Pico совместно с макетной платой………………………………….. 547

19.4. Использование цифровых выходов устройства Pico…………………………………………………… 549

19.5. Использование цифровых входов устройства Pico……………………………………………………… 552

19.6. Использование аналоговых выходов (ШИМ) устройства Pico…………………………………… 554

19.7. Использование аналоговых входов устройства Pico…………………………………………………… 555

19.8. Управление сервоприводом с помощью устройства Pico…………………………………………… 558

19.9. Использование файловой системы устройств Pico и Pico W……………………………………….. 561

19.10. Использование второго ядра процессора…………………………………………………………………… 564

19.11. Запуск веб-сервера с интерфейсом Wi-Fi на устройстве Pico W……………………………….. 565

19.12. Использование аналогов устройства Pico………………………………………………………………….. 569

19.13. Использование устройства Pico с питанием от батареек………………………………………….. 572

Приложение 1. Поставщики и комплектующие……………………………………. 574

Поставщики………………………………………………………………………………………………………………………………. 574

Оборудование и комплекты для прототипирования…………………………………………………………….. 575

Резисторы и конденсаторы……………………………………………………………………………………………………… 576

Транзисторы и диоды……………………………………………………………………………………………………………… 576

Интегральные схемы……………………………………………………………………………………………………………….. 577

Оптоэлектроника……………………………………………………………………………………………………………………… 577

Модули……………………………………………………………………………………………………………………………………… 577

Прочее………………………………………………………………………………………………………………………………………. 579

Приложение 2. Схема расположения выводов устройства Raspberry Pi.. 580

Raspberry Pi 400/4/3/2, модели B, B+, A+, Zero……………………………………………………………………… 580

Raspberry Pi, модель B второй ревизии, модель A…………………………………………………………………. 580

Raspberry Pi, модель B первой ревизии………………………………………………………………………………….. 581

Raspberry Pi Pico……………………………………………………………………………………………………………………….. 581

Предметный указатель…………………………………………………………………………. 582

Об авторе……………………………………………………………………………………………… 590

Об изображении на обложке………………………………………………………………… 591

Опубликовано

Представляем книгу “Практическая робототехника. C++ и Raspberry Pi”

Практическая робототехника. C++ и Raspberry Pi

Рассказано о технологии создания автономных роботов на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi и о разработке программ для них на языке С++. Показаны принципы написания и даны примеры кода для контроллера привода двигателя, продемонстрированы способы использования датчиков для обнаружения препятствий и построения карт на основе данных лидара. Описаны методы разработки собственных алгоритмов автономного планирования траектории движения, приведен код для автоматической отправки путевых точек контроллеру привода. Рассмотрены библиотеки С++ для написания программ картографии и навигации автономных роботов, даны сведения об использовании контактов аппаратного интерфейса Raspberry Pi GPIO.
Электронный архив на сайте издательства содержит код описанных в книге программ.

Для интересующихся робототехникой

 

В книге представлены исчерпывающие знания по электронике, аппаратному и программному обеспечению для создания настоящих роботов на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi.

Вы узнаете как:

  •  использовать датчики для обнаружения препятствий;
  • обучить робота строить карту и планировать траекторию движения;
  • структурировать код на С++, чтобы он получился модульным и взаимозаменяемым с другими проектами по созданию роботов.
  • использовать контакты аппаратного интерфейса Raspberry Pi GPIO и существующие библиотеки С++, чтобы создать полностью автономного программируемого робота на самой доступной компьютерной платформе.

Вы научитесь:

• Писать код для контроллера привода двигателя
• Строить карты на основе данных лидара
• Создавать собственные алгоритмы автономного планирования траектории движения
• Писать код для автоматической отправки путевых точек контроллеру привода
• Создавать программы картографии и навигации для автономных роботов

Книгу “Практическая робототехника. C++ и Raspberry Pi” можно купить со скидкой в интернет-магазине издательства “БХВ“.

Об авторе……………………………………………………………………………………………….. 16

Благодарности……………………………………………………………………………………….. 17

Предисловие…………………………………………………………………………………………… 18

Вступительное слово………………………………………………………………………………. 21

Введение………………………………………………………………………………………………… 23

Часть I. Введение в компьютеры для робототехники…….. 25

Глава 1. Выбор и настройка компьютера для робота……………………………… 27

Что такое Raspberry Pi?……………………………………………………………………………………………………………… 27

В чем же разница?……………………………………………………………………………………………………………… 28

Значит, Raspberry Pi — единственный вариант контроллера для управления роботом?    28

Разве Raspberry Pi не предназначен для школ, энтузиастов-электронщиков и игрушек? Я хотел узнать о настоящей робототехнике…………………………………………………………………………………………………………… 29

Какие модели Raspberry Pi существуют и почему не все из них подходят
для наших целей?………………………………………………………………………………………………………………………. 29

Raspberry Pi Zero и Raspberry Pi ZeroW…………………………………………………………………………….. 31

Raspberry Pi 2B……………………………………………………………………………………………………………………. 31

Raspberry Pi 3B — лучший выбор!……………………………………………………………………………………. 32

Raspberry Pi 3B+…………………………………………………………………………………………………………………. 32

Новая модель Raspberry Pi 4……………………………………………………………………………………………… 33

Выбор операционной системы…………………………………………………………………………………………………. 33

Raspbian………………………………………………………………………………………………………………………………. 34

Ubuntu…………………………………………………………………………………………………………………………………. 34

Установка и настройка операционной системы…………………………………………………………………….. 35

Установка полной Ubuntu Desktop на ноутбук или настольный ПК…………………………….. 36

Установка Lubuntu на Raspberry Pi………………………………………………………………………………….. 36

Установка и настройка интегрированной среды разработки (IDE)……………………………………… 40

Visual studio Code для ноутбука или настольного ПК……………………………………………………. 40

Code Blocks для Raspberry Pi…………………………………………………………………………………………….. 41

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………… 42

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………… 42

Глава 2. Назначение и использование контактов интерфейса GPIO………. 43

Общие сведения о GPIO…………………………………………………………………………………………………………….. 43

Что такое интерфейс GPIO………………………………………………………………………………………………………… 43

Какие же именно функции выполняет GPIO?…………………………………………………………………… 45

Электроника для программистов…………………………………………………………………………….. 45

Типы выходных данных…………………………………………………………………………………………… 50

Типы входных данных……………………………………………………………………………………………… 52

Некоторые распространенные радиодетали…………………………………………………………. 53

Контакты GPIO в качестве выходов………………………………………………………………………… 57

Две системы нумерации контактов GPIO……………………………………………………………….. 58

Контакты GPIO в качестве входов…………………………………………………………………………… 59

Как получить доступ к контактам GPIO Raspberry Pi с помощью программ на C++…………… 61

Библиотека PIGPIO……………………………………………………………………………………………………………………. 62

Установка и настройка библиотеки PIGPIO……………………………………………………………………. 62

Удостоверимся, что Code::Blocks может обращаться к PIGPIO…………………………… 63

Запуск программ PIGPIO………………………………………………………………………………………….. 64

Наш первый проект — hello_blink…………………………………………………………………………… 64

Цифровой вход, управляющий цифровым выходом — hello_button……………………. 67

Функции обратного вызова для обработки событий GPIO…………………………………… 68

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………… 71

Часть II. Начинаем проектировать робота………………………….. 73

Глава 3. Платформа для робота……………………………………………………………… 75

Общие сведения………………………………………………………………………………………………………………………….. 75

Габаритные размеры и режим эксплуатации…………………………………………………………………………. 76

Что лучше — дифференциальный рулевой привод или привод Аккермана?………………………. 78

Дифференциальный рулевой привод……………………………………………………………………………….. 78

Рулевой привод Аккермана……………………………………………………………………………………………….. 79

Готовые платформы для роботов…………………………………………………………………………………………….. 79

Большие готовые платформы……………………………………………………………………………………………. 79

Маленькие готовые роботы………………………………………………………………………………………………. 80

Советы по созданию собственного робота……………………………………………………………………………… 82

Материалы для конструирования……………………………………………………………………………………. 82

Аккумуляторы…………………………………………………………………………………………………………… 83

Ходовая часть……………………………………………………………………………………………………………. 83

Где найти детали для роботов…………………………………………………………………………………. 84

Перепрофилирование роботов-пылесосов или автомобилей с дистанционным управлением 85

Роботы-пылесосы с интерфейсом…………………………………………………………………………………….. 86

Взаимодействие с Roomba………………………………………………………………………………………. 87

“Разморозка” Roomba………………………………………………………………………………………………. 90

Роботы-пылесосы без интерфейса……………………………………………………………………………………. 91

Перепрофилирование автомобилей и грузовиков с дистанционным управлением…………….. 92

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………… 94

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………… 94

Глава 4. Типы двигателей для роботов и управление двигателями………… 95

Общие сведения………………………………………………………………………………………………………………………….. 95

Типы двигателей………………………………………………………………………………………………………………………… 95

Сравнение двигателей переменного (AC) и постоянного (DC) токов……………………………. 96

Щеточные двигатели постоянного тока…………………………………………………………………………… 97

Сервоприводы…………………………………………………………………………………………………………………….. 98

Шаговые двигатели……………………………………………………………………………………………………………. 99

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)……………………………………………………… 100

Принципы работы транзистора и контроллеры двигателей……………………………………………….. 100

Простейший способ управления: включено/выключено……………………………………………… 101

Транзисторы…………………………………………………………………………………………………………………….. 102

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)……………………………………………………………………… 105

ШИМ для создания аналоговых напряжений………………………………………………………. 105

ШИМ в качестве управляющего сигнала……………………………………………………………… 106

Драйверы и контроллеры двигателей……………………………………………………………………………. 107

Драйверы двигателей……………………………………………………………………………………………… 108

Управление двигателями с помощью драйвера двигателя на основе
двойного Н-моста L298N……………………………………………………………………………………….. 109

Контроллеры двигателей……………………………………………………………………………………….. 112

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 113

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 114

Бонусное задание…………………………………………………………………………………………………………………….. 114

Глава 5. Связь с датчиками и другими устройствами…………………………… 115

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 115

Двоичные (логические) сигналы…………………………………………………………………………………………….. 115

Выключатели с защитой от дребезга контактов…………………………………………………………………… 116

Колесные энкодеры…………………………………………………………………………………………………………………. 117

Двоичные сигналы от аналоговых датчиков………………………………………………………………………… 118

Сводная информация о передаче данных с помощью двоичных сигналов……………………….. 119

Передача данных через последовательный интерфейс……………………………………………………….. 119

Последовательная передача данных с помощью UART……………………………………………………… 119

Настройка Raspberry Pi и тестирование последовательной передачи данных
через UART………………………………………………………………………………………………………………………………. 121

Устранение ошибки при открытии последовательного порта…………………………………….. 124

Передача данных через последовательную шину I2C………………………………………………………… 124

Настройка и использование устройства I2C с Raspberry Pi………………………………………… 126

Пример и тестовая программа: hello_i2c_lsm303…………………………………………………………………. 127

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 130

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 131

Глава 6. Дополнительное оборудование……………………………………………….. 132

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 132

Источники питания………………………………………………………………………………………………………………….. 132

Источники питания напряжением 5 В……………………………………………………………………………. 133

Регулируемые источники питания………………………………………………………………………………….. 133

Релейные блоки………………………………………………………………………………………………………………………… 134

Преобразователи логических уровней………………………………………………………………………………….. 135

Преобразователи интерфейса (FTDI)…………………………………………………………………………………….. 136

Микроконтроллеры Arduino…………………………………………………………………………………………………… 137

Микроконтроллеры Digispark…………………………………………………………………………………………………. 137

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 138

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 138

Глава 7. Установка компьютера, управляющего роботом……………………. 139

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 139

Последовательность шагов…………………………………………………………………………………………………….. 140

Установка компьютера и подача питания на него……………………………………………………………….. 140

Соединение компьютера с остальными частями робота…………………………………………………….. 141

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 143

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 144

Часть III. Логика функционирования робота…………………… 145

Глава 8. Стратегия управления роботом………………………………………………. 147

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 147

Управление роботом: верхний и нижний уровни…………………………………………………………………. 147

Основной контур управления…………………………………………………………………………………………………. 149

Наблюдение и сравнение………………………………………………………………………………………………………… 149

Реагирование……………………………………………………………………………………………………………………. 150

Воздействие………………………………………………………………………………………………………………………. 150

Контроллеры с разомкнутым и замкнутым контуром управления…………………………………….. 153

Разработка контроллеров верхнего уровня (главных контроллеров)………………………………… 154

Разработка контроллеров нижнего уровня (технологических контроллеров)………………….. 156

Двухпозиционные контроллеры (регуляторы типа включено-выключено)……………….. 157

Пропорциональные контроллеры………………………………………………………………………………….. 157

Проектирование контроллеров, допускающих некоторую погрешность…………………… 161

Установка минимального значения выходного сигнала……………………………………………… 161

За рамками пропорциональных контроллеров…………………………………………………………….. 162

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 163

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 163

Глава 9. Организация совместной работы компонентов………………………. 164

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 164

Что такое операционная система для роботов?……………………………………………………………………. 165

ROS или создание собственного ПО для управления роботами?……………………………………….. 165

ROS и область коммерческой робототехники………………………………………………………………………. 166

Установка ROS…………………………………………………………………………………………………………………………. 167

Установка ROS Melodic на ноутбуке или настольном компьютере……………………………. 167

Установка ROS Kinetic на Raspberry Pi 3B…………………………………………………………………….. 168

Быстрое тестирование ROS…………………………………………………………………………………………….. 170

Краткий экскурс в ROS……………………………………………………………………………………………………………. 171

Пакеты, узлы, издатели, подписчики, топики и сообщения…………………………………………. 171

Полезные приемы…………………………………………………………………………………………………………………….. 177

Создание и написание пакетов и узлов ROS…………………………………………………………………………. 178

Файловая система ROS……………………………………………………………………………………………………. 178

Создание пакетов ROS…………………………………………………………………………………………………….. 178

Написание программ ROS (узлов)………………………………………………………………………………….. 180

Загрузка, просмотр и запуск программ, скачанных для этой главы…………………………… 186

Как облегчить жизнь с помощью файлов roslaunch и .launch……………………………………………… 187

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 188

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 189

Глава 10. Карты для определения местоположения робота…………………… 190

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 190

Угол, курс, расстояние: общепринятые соглашения……………………………………………………………. 191

Получение данных с датчиков……………………………………………………………………………………………….. 193

Сетчатая карта занятости………………………………………………………………………………………………………. 194

Построение сетчатых карт занятости (OGM) с помощью данных, получаемых с датчиков 196

Маркировка занятых ячеек…………………………………………………………………………………………………….. 199

Маркировка свободных ячеек………………………………………………………………………………………………… 202

Заключительные шаги при составлении карты……………………………………………………………………. 202

Публикация карты в виде сообщения ROS……………………………………………………………………………. 203

Преобразования в ROS……………………………………………………………………………………………………………. 204

Для чего нужны преобразования……………………………………………………………………………………. 205

Использование преобразований в ROS………………………………………………………………………….. 206

Публикация преобразований с помощью static transform publisher……………………………. 207

Публикация сообщений от узлов с помощью транслятора преобразований (transform broadcaster)        208

Получение данных о преобразованиях в узлах……………………………………………………………. 209

Просмотр данных о преобразовании из командной строки………………………………………… 211

Упрощение картографирования с помощью Gmapping……………………………………………………….. 211

Общие сведения о Gmapping…………………………………………………………………………………………… 212

Установка Gmapping……………………………………………………………………………………………………….. 212

Запуск Gmapping и задание параметров в файлах запуска…………………………………………. 212

Этапы создания карты…………………………………………………………………………………………………………….. 214

Визуализация создания карты в реальном времени…………………………………………………………….. 214

Сохранение карты и ее последующее использование…………………………………………………………. 216

Сохранение карт………………………………………………………………………………………………………………. 216

Загрузка ранее сохраненной карты……………………………………………………………………………….. 217

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 217

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 217

Глава 11. Отслеживание перемещений и локализация робота……………… 219

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 219

Поза робота……………………………………………………………………………………………………………………………… 220

Преобразование углов Эйлера в кватернионы……………………………………………………………… 221

Преобразование кватернионов в углы Эйлера……………………………………………………………… 223

Одометрия и точный расчет траектории……………………………………………………………………………….. 223

Колесная одометрия………………………………………………………………………………………………………… 224

Расчет расстояния, пройденного каждым колесом………………………………………………………. 227

Расчет общего расстояния, пройденного роботом……………………………………………………….. 228

Расчет изменения угла поворота тета……………………………………………………………………………. 228

Сложение величины изменения угла поворота с предыдущим значением угла поворота тета   229

Расчет расстояния, пройденного по осям x и y (преобразование координат)……………. 229

Прибавление полученных расстояний к соответствующим значениям предыдущей оценки позы            230

Публикация сообщения одометрии о новой позе для других узлов…………………… 230

Сохранение данных новой позы для использования в следующем цикле………… 230

Точный расчет траектории……………………………………………………………………………………………… 230

Публикация данных одометрии в ROS………………………………………………………………………………….. 232

Издатель сообщений о преобразованиях одометрии…………………………………………………… 234

Дальнейшее отслеживание перемещений робота и его локализация в пространстве………. 236

Инструмент для коррекции позы вручную…………………………………………………………………….. 236

Фидуциальные маркеры………………………………………………………………………………………………………….. 237

Локализация с помощью лазерного сканера………………………………………………………………………… 238

GPS и GNSS……………………………………………………………………………………………………………………………….. 239

Системы локализации на основе радиомаяков…………………………………………………………………….. 239

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 240

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 240

Глава 12. Автономное движение…………………………………………………………… 241

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 241

Обзор движения роботов в ROS……………………………………………………………………………………………… 241

Контроллер двигателя — simple_diff_drive.cpp……………………………………………………………………. 242

Шаги по созданию контроллера двигателя simple_diff_drive……………………………………… 243

Код контроллера двигателя дифференциального рулевого привода,
представленный в общем виде………………………………………………………………………………………… 244

Код контроллера двигателя дифференциального рулевого привода…………………………. 245

Контроллер привода — simple_drive_controller.cpp……………………………………………………………… 251

Шаги по созданию контроллера привода……………………………………………………………………… 251

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 256

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 256

Глава 13. Автономное планирование маршрута…………………………………… 257

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 257

Методы планирования маршрута и сопутствующие проблемы…………………………………………. 257

Проблемы………………………………………………………………………………………………………………………….. 258

Методы планирования маршрута………………………………………………………………………………….. 258

Увеличение границ вокруг препятствий………………………………………………………………………… 259

Карты затрат (costmap)…………………………………………………………………………………………………… 260

Пакет costmap_2d…………………………………………………………………………………………………………….. 260

Планирование маршрута с помощью алгоритма A*……………………………………………………. 263

Как работает алгоритм А*……………………………………………………………………………………………… 264

Пошаговый разбор алгоритма A*………………………………………………………………………………….. 266

Разбор процедуры А*………………………………………………………………………………………………………. 268

Написание программы A* как узла ROS……………………………………………………………………………….. 273

Стандартные вещи, вспомогательные функции и main()……………………………………………… 274

Сердце узла A*: функция find_path()……………………………………………………………………………… 284

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 289

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 289

Часть IV. Интерпретация данных,
поступающих с датчиков……………………………………………………….. 291

Глава 14. Колесные энкодеры для одометрии………………………………………. 293

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 293

Колесные энкодеры…………………………………………………………………………………………………………………. 293

Оптические энкодеры………………………………………………………………………………………………………………. 294

Энкодеры на датчиках Холла………………………………………………………………………………………………… 294

Подключение энкодеров…………………………………………………………………………………………………………. 295

Издатель сообщений об импульсах: tick_publisher.cpp………………………………………………………… 297

Код издателя сообщений об импульсах энкодера……………………………………………………………….. 298

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 302

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 302

Глава 15. Ультразвуковые датчики расстояния……………………………………. 303

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 303

Основная информация об ультразвуковом дальномере HC-SR04………………………………………. 304

Считывание показаний HC-SR04…………………………………………………………………………………… 304

Подключение HC-SR04…………………………………………………………………………………………………………… 304

Издатель данных ультразвукового измерения расстояния: ultrasonic_publisher.cpp………… 305

Издатель сообщений об ультразвуковом измерении расстояния:
пошаговый разбор……………………………………………………………………………………………………………. 305

Обзор кода издателя сообщений об ультразвуковом измерении расстояния…………….. 306

Использование данных ультразвукового измерения расстояния при обнаружении объектов 309

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 310

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 311

Глава 16. Инерциальные измерительные блоки (IMU) — акселерометры, гироскопы и магнитометры…………………………………………………………………………………………………………….. 312

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 312

Акселерометры………………………………………………………………………………………………………………………… 313

Недостатки акселерометра…………………………………………………………………………………………….. 314

Публикация данных IMU в ROS……………………………………………………………………………………… 314

Тип данных sensor_msgs::Imu в ROS………………………………………………………………………………. 315

Код издателя сообщений IMU………………………………………………………………………………………… 316

Гироскопы………………………………………………………………………………………………………………………………… 320

Недостатки гироскопа…………………………………………………………………………………………………….. 321

Добавление данных гироскопа в узел IMU…………………………………………………………………… 321

Магнитометры…………………………………………………………………………………………………………………………. 322

Недостатки магнитометра………………………………………………………………………………………………. 322

Добавление данных магнитометра………………………………………………………………………………… 323

Установка IMU………………………………………………………………………………………………………………………… 325

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 325

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 326

Глава 17. GPS и системы на основе внешних радиомаяков………………….. 327

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 327

Как работают системы на основе радиомаяков…………………………………………………………………… 327

Основные сведения о GPS и GNSS………………………………………………………………………………………….. 329

Точность GPS/GNSS…………………………………………………………………………………………………………. 329

Определение местоположения с помощью GPS/GNSS-RTK с точностью до 2 см……… 330

Ограничения GPS/GNSS…………………………………………………………………………………………………… 331

Данные GPS/GNSS……………………………………………………………………………………………………………. 332

Строки с данными NMEA………………………………………………………………………………………………… 332

Некоторые основные представления данных о широте и долготе……………………………… 334

Публикация данных GPS/GNSS в ROS…………………………………………………………………………………… 335

Пакет ROS: nmea_navsat_driver……………………………………………………………………………………… 335

Установка пакета nmea_navsat_driver…………………………………………………………………………… 336

Изучение документации к пакетам ROS………………………………………………………………………… 337

Запуск узла nmea_serial_driver с параметрами……………………………………………………………. 338

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 339

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 339

Глава 18. Устройства LIDAR и данные, которые они предоставляют…… 340

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 340

Основные сведения об устройствах LIDAR………………………………………………………………………….. 340

Ограничения LIDAR………………………………………………………………………………………………………………… 341

Типы LIDAR……………………………………………………………………………………………………………………………… 342

Однонаправленный (одноточечный) LIDAR…………………………………………………………………. 342

2D-LIDAR………………………………………………………………………………………………………………………….. 343

3D-LIDAR………………………………………………………………………………………………………………………….. 344

LIDAR, установленный на роботе-пылесосе………………………………………………………………… 344

Критерии выбора LIDAR………………………………………………………………………………………………………… 346

Данные LIDAR: сообщение sensor_msgs::LaserScan……………………………………………………………. 347

Факторы, которые необходимо учитывать при монтаже устройств LIDAR……………………… 349

Установка, запуск и испытание распространенной модели LIDAR…………………………………… 350

Действия по настройке RPLIDAR…………………………………………………………………………………… 351

Визуализация сообщения LaserScan……………………………………………………………………………………… 353

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 356

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 356

Глава 19. Реальное зрение с помощью видеокамер………………………………. 357

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 357

Что такое изображение?………………………………………………………………………………………………………….. 358

Атрибуты изображения…………………………………………………………………………………………………… 359

Координаты пиксела……………………………………………………………………………………………………….. 359

Проверка наличия или установка необходимого программного обеспечения………………….. 360

ROS Kinetic………………………………………………………………………………………………………………………… 360

ROS Melodic………………………………………………………………………………………………………………………. 361

Тестирование OpenCV в ROS………………………………………………………………………………………………….. 362

Программное обеспечение для обработки изображений (OpenCV) и ROS………………………… 363

Шаг 1. Публикация изображений в ROS………………………………………………………………………………… 364

Установка usb_cam_node………………………………………………………………………………………………… 364

Запуск usb_cam_node………………………………………………………………………………………………………. 364

Тестирование выходного сигнала камеры…………………………………………………………………….. 366

Шаг 2. Подпишитесь на сообщение об изображении в другом узле…………………………………… 367

Создайте свой пакет ROS для видеонаблюдения………………………………………………………….. 367

Написание кода для подписчика на сообщения с изображением……………………………….. 368

Шаг 3. С помощью cv-bridge преобразуйте изображение RGB, которое использует ROS, в изображение BGR, с которым может работать OpenCV…………………………………………………………………………………………………………………….. 369

Шаг 4. Выполните необходимые операции с изображением………………………………………………. 369

Шаг 5. Публикуйте любые данные, не относящиеся к изображению,
в виде отдельного сообщения ROS…………………………………………………………………………………………. 370

Шаг 6. Преобразуйте измененное изображение обратно в формат RGB…………………………… 370

Шаг 7. Опубликуйте итоговое изображение в отдельном топике……………………………………….. 371

Еще немного про обработку изображений……………………………………………………………………………. 371

Ядра, диафрагмы и блоки……………………………………………………………………………………………….. 371

Важность работы с копиями вместо оригинальных изображений……………………………… 372

Несколько слов об освещении………………………………………………………………………………………… 373

Ревизия шага 4 с включением большего количества операций OpenCV……………………………. 373

Преобразование цветового формата: cvtColor()…………………………………………………………… 374

Размытие изображений: blur(), medianBlur(), GaussianBlur()……………………………………….. 374

Выделение краев: Canny()……………………………………………………………………………………………….. 375

От определения краев на изображении к числовым значениям: HoughLinesP()………… 376

Маскирование изображения: bitwise_and()…………………………………………………………………… 380

Фильтрация по цвету: cvtColor() и inRange()………………………………………………………………………… 383

Полезные инструменты ROS…………………………………………………………………………………………………… 387

Расширенные функции OpenCV и не только…………………………………………………………………………. 387

Распознавание изображений с помощью облачных технологий………………………………………… 388

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 389

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 389

Глава 20. Совместное использование различных датчиков………………….. 390

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 390

Доступно о совместном использовании датчиков………………………………………………………………… 391

Датчик абсолютной ориентации Bosch BN0055………………………………………………………………….. 391

Предоставляемые данные……………………………………………………………………………………………….. 392

Улучшенная одометрия…………………………………………………………………………………………………… 392

Интеграция BN0055: оборудование и издатель ROS……………………………………………………. 393

Интеграция BN0055: узел одометрии…………………………………………………………………………….. 394

Шаг 1. Подписаться на сообщение IMU………………………………………………………………………… 395

Шаг 2. Проверить, что поле ориентации не помечено как “do not use” (не использовать) 395

Шаг 3. Преобразовать кватернионы в углы Эйлера…………………………………………………….. 396

Шаг 4. Сохранить информацию о смещении, если это первое сообщение IMU………… 396

Шаг 5.1. Если это НЕ первое сообщение IMU, сохранить курс IMU………………………….. 397

Шаг 5.2. Передать новое значение курса IMU в функцию расчета параметров одометрии         397

Комплексный подход к совместному использованию датчиков…………………………………………. 398

Фильтр Калмана………………………………………………………………………………………………………………. 398

Ковариационная матрица……………………………………………………………………………………………….. 401

Ковариационные матрицы в сообщениях ROS……………………………………………………………… 402

Узел robot_pose_ekf node………………………………………………………………………………………………………… 403

Установка robot_pose_ekf……………………………………………………………………………………………….. 404

Запуск robot_pose_ekf……………………………………………………………………………………………………… 404

Последнее замечание о преобразованиях и roslaunch………………………………………………….. 405

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 406

Вопросы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 406

Часть V. Разработка автономного робота…………………………. 407

Глава 21. Сборка и программирование автономного робота………………… 409

Общие сведения……………………………………………………………………………………………………………………….. 409

Раздел 1. Создание физической платформы для робота……………………………………………………… 410

Платформа для робота: общий обзор и список деталей……………………………………………………… 411

Модули, объединяющие в себе колесо и двигатель……………………………………………………… 413

Драйвер(ы) двигателя………………………………………………………………………………………………………. 414

Ролик (третье колесо робота)………………………………………………………………………………………….. 414

Аккумуляторы и зарядное устройство…………………………………………………………………………… 414

Шасси/основание…………………………………………………………………………………………………………….. 415

Компьютеры……………………………………………………………………………………………………………………… 416

LIDAR или другой датчик расстояния…………………………………………………………………………… 416

Колесные энкодеры…………………………………………………………………………………………………………. 417

IMU (инерциальный измерительный блок)……………………………………………………………………. 417

Преобразователь напряжения для компьютера……………………………………………………………. 417

Коммутационная плата для колодки GPIO……………………………………………………………………. 418

Видеокамера…………………………………………………………………………………………………………………….. 418

Вольтметр для контроля напряжения аккумулятора……………………………………………………. 419

Различные материалы……………………………………………………………………………………………………… 420

Сборка платформы для робота………………………………………………………………………………………………. 420

Подготовьте компьютер…………………………………………………………………………………………………… 421

Подготовьте колесные модули……………………………………………………………………………………….. 421

Продумайте схему расположения компонентов…………………………………………………………… 422

Подготовьте шасси…………………………………………………………………………………………………………… 422

Установите колесные модули и ролик…………………………………………………………………………… 422

Установите драйвер двигателя, клеммные колодки и источник питания для компьютера……….. 424

Подготовьте коммутационную плату для колодки GPIO…………………………………………….. 424

Установите компьютер, коммутационную плату для колодки GPIO и IMU………………. 424

Соедините все блоки проводами и установите аккумулятор………………………………………. 425

Установите LIDAR и видеокамеру…………………………………………………………………………………. 425

Еще несколько советов……………………………………………………………………………………………………………. 427

Раздел 2. Программирование робота…………………………………………………………………………………….. 428

Программирование: общие замечания…………………………………………………………………………… 428

Программирование робота: подробная инструкция…………………………………………………….. 429

  1. Создать папку проекта……………………………………………………………………………………….. 430
  2. Получить данные датчиков для публикации……………………………………………………. 430
  3. Настроить управление платформой с помощью пульта ДУ…………………………… 432
  4. Отслеживать перемещение робота и публиковать данные о местоположении 435
  5. Обеспечить перемещение робота по путевым точкам
    (без обхода препятствий)……………………………………………………………………………………….. 436
  6. Составьте карту окружения робота………………………………………………………………….. 438
  7. Загрузить сохраненную карту с помощью файлов запуска……………………………. 439
  8. Добиться автономной навигации робота в пределах карты…………………………… 440

Запуск автономного робота!………………………………………………………………………………………………….. 441

Некоторые советы по устранению неполадок………………………………………………………………. 441

Что дальше?……………………………………………………………………………………………………………………………… 442

Обход динамических препятствий…………………………………………………………………………………. 442

ПИД-регуляторы………………………………………………………………………………………………………………. 443

Главный контроллер, который управляет различными процедурами или задачами.. 443

Реализация преобразования map в odom (полная локализация)………………………………… 443

Следите за новостями в Интернете…………………………………………………………………………………. 443

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………. 444

Приложение. Описание электронного архива………………………………………. 445

Предметный указатель…………………………………………………………………………. 446

Lloyd Brombach

Ллойд Бромбах — инженер, программист и энтузиаст электроники и робототехники. Участвовал в соревнованиях по робототехнике, таких как финансируемый НАСА конкурс Lunar Regolith Excavation Challenge 2007 и 27-й конкурс Intelligent Ground Vehicle Challenge.