Устройство и программирование автономных роботов. Проекты на Python и Raspberry Pi

Дэнни Стейпл

Устройство 
и программирование 
автономных роботов

Learn Robotics 
Programming

Build and control AI-enabled autonomous 
robots using the Raspberry Pi and Python

Danny Staple

BIRMINGHAM—MUMBAI

Устройство 
и программирование 
автономных роботов

Проекты на Python и Raspberry Pi

Дэнни Стейпл

Москва, 2022

УДК 004.896
ББК  32.816
C79

Дэнни Стейпл
C79 
Устройство и программирование автономных роботов / пер. с англ. 
Е. В. Шевчук; науч. ред. В. С. Яценков. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 520 с.: ил.

ISBN 978-5-97060-989-7

Эта книга посвящена созданию интеллектуального робота и разработке кода для его 
поведенческих сценариев. Для построения робота используются широко доступные компоненты – 
датчики, двигатели, камеры, микрофоны, динамики, светодиоды и микрокомпьютер 
Raspberry Pi. Раскрывается ряд специализированных тем, таких как компьютерное 
зрение и голосовое управление. Также читатель узнает о  специализированных сообществах, 
посвященных робототехнике, и перспективах ее развития.
Книга подойдет как новичкам в области программирования, так и опытным программистам, 
желающим применить свои навыки в аппаратном проекте. Для изучения материала 
необходимо знание языка Python и умение работать с циклами, условиями и функциями.

УДК 004.896
ББК 32.816

First published in the English language under the title ‘Learn Robotics Programming – Second 
Edition – (9781839218804)

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена 
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.

Copyright ©Packt Publishing 2021
© Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2022
ISBN  (анг.) 978-1-83921-880-4
ISBN  (рус.) 978-5-97060-989-7

Оглавление

Участники ........................................................................................... 17
Об авторе ...........................................................................................................17
О рецензентах ...................................................................................................17

Предисловие ...................................................................................... 19
Для кого эта книга ............................................................................................19
Какие темы описаны в книге ...........................................................................19
Как извлечь из книги наибольшую пользу .....................................................21
Загрузка файлов с примерами кода ................................................................21
Code in Action ....................................................................................................22
Изображения в цвете ........................................................................................22
Используемые обозначения ............................................................................22
Оставайтесь на связи ........................................................................................23
Отзывы ..............................................................................................................23

ЧАСТЬ 1. ВВЕДЕНИЕ – ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ ... 25

Глава 1. Введение в робототехнику ............................................... 27
Что такое робот? ...............................................................................................27
Продвинутые и впечатляющие роботы ..........................................................29
Марсоходы ....................................................................................................31
Роботы в доме ...................................................................................................32
Стиральная машина .....................................................................................32
Другие домашние роботы ............................................................................33
Роботы в промышленности .............................................................................34
Роботы-манипуляторы.................................................................................34
Роботы на складах ........................................................................................36
Роботы для участия в соревнованиях, учебные и любительские роботы .....36
Выводы ..............................................................................................................39
Задание ..............................................................................................................40
Дополнительные материалы ...........................................................................40

Глава 2. Структурные элементы робота – код и электроника ... 42
Технические условия ........................................................................................42
Внутреннее устройство робота ........................................................................42
Типы компонентов робота ...............................................................................46
Типы двигателей ..........................................................................................46
Другие типы приводов .................................................................................48

Индикаторы состояния – дисплеи, световые и звуковые индикаторы ....49
Типы сенсоров ..............................................................................................49
Контроллеры и устройства ввода/вывода .......................................................51
Контакты ввода/вывода ...............................................................................52
Контроллеры .................................................................................................53
Модели контроллера Raspberry Pi ...............................................................56
Набросок компонентов и структуры кода ......................................................57
Разработка аппаратного устройства робота ...................................................59
Выводы ..............................................................................................................62
Упражнения ......................................................................................................62
Дополнительные материалы ...........................................................................62

Глава 3. Изучение Raspberry Pi ....................................................... 63
Технические требования ..................................................................................63
Функциональные возможности Raspberry Pi..................................................63
Скорость и производительность .................................................................64
Возможности подключения .........................................................................64
Преимущества Raspberry Pi 3A+ ..................................................................64
Выбор способов подключения .........................................................................65
Контакты для подключения питания..........................................................66
Шины передачи данных ...............................................................................67
Входы/выходы общего назначения .............................................................67
Платы расширения HAT для Raspberry Pi ...................................................67
Операционная система Raspberry Pi ...............................................................68
Запись образа ОС Raspberry Pi на SD-карту ....................................................68
Выводы ..............................................................................................................70
Задание ..............................................................................................................71
Дополнительные материалы: ..........................................................................71

Глава 4. Автономное управление роботом с помощью  
Raspberry Pi ........................................................................................ 72
Технические требования ..................................................................................72
Сущность автономных систем и их преимущества .......................................73
Настройка Wi-Fi и SSH на Raspberry Pi ............................................................74
Поиск Raspberry Pi в сети .................................................................................76
Установка Bonjour для Windows ...................................................................76
Тест системы .................................................................................................77
Устранение неполадок .................................................................................77
Подключение к Raspberry Pi посредством PuTTY и SSH ................................78
Настройка конфигурации ОС Raspberry Pi .....................................................80
Изменение имени Raspberry Pi ....................................................................80
Защита Raspberry Pi ......................................................................................82
Перезагрузка и повторное подключение ...................................................82
Обновление программного обеспечения на Raspberry Pi .........................85
Завершение сеанса Raspberry Pi ..................................................................86
Выводы ..............................................................................................................86

6  
Оглавление

Задание ..............................................................................................................87
Дополнительные материалы ...........................................................................87

Глава 5. Создание резервных копий  
с помощью Git и SD-карты ......................................................................88
Технические требования ..................................................................................88
Причины возникновения проблем при написании и изменении кода .......89
Повреждение SD-карты и потеря данных ..................................................89
Изменение кода или конфигурации ...........................................................89
Стратегия 1 – хранение кода на ПК  
и его последующая передача ...........................................................................90
Стратегия 2 – создание копий с помощью Git ................................................92
Стратегия 3 – резервное копирование данных SD-карты .............................94
Windows .........................................................................................................95
Mac .................................................................................................................97
Linux ............................................................................................................100
Выводы ............................................................................................................101
Задание ............................................................................................................101
Дополнительные материалы .........................................................................102

ЧАСТЬ 2. СОЗДАНИЕ АВТОНОМНОГО РОБОТА – 
ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДАТЧИКОВ И ДВИГАТЕЛЕЙ 
К RASPBERRY PI ........................................................................103

Глава 6. Сборка основания – колеса, питание  
и электропроводка .........................................................................105
Технические требования ................................................................................105
Выбор набора шасси .......................................................................................106
Размер .........................................................................................................106
Количество колес ........................................................................................107
Колеса и двигатели .....................................................................................108
Простота ......................................................................................................109
Стоимость ...................................................................................................110
 Заключение ................................................................................................110
Выбор платы контроллера двигателя ............................................................110
Степень интеграции ...................................................................................111
Использование контактов ..........................................................................111
Размер .........................................................................................................112
Пайка ...........................................................................................................113
Силовой источник питания .......................................................................113
Способы подключения ...............................................................................113
Заключение .................................................................................................114
Питание робота ...............................................................................................115
Проверка компоновки ....................................................................................117
Сборка основания ...........................................................................................120

Оглавление  7

Установка диска энкодера ..........................................................................122
Установка двигателя с помощью опор ......................................................122
Установка поворотного колеса ..................................................................124
Установка ведущих колес ...........................................................................125
Прокладка проводов...................................................................................126
Установка Raspberry Pi ...............................................................................127
Установка источников питания .................................................................128
Готовое основание для робота ...................................................................130
Подключение двигателей к Raspberry Pi .......................................................131
Подключение проводов к HAT-плате ........................................................132
Автономное питание .................................................................................134
Выводы ............................................................................................................136
Задание ............................................................................................................137
Дополнительные материалы .........................................................................137

Глава 7. Движение и повороты – код на Python  
для управления двигателями .......................................................138
Технические требования ................................................................................138
Разработка  кода для проверки двигателей ..................................................139
Подготовка библиотек ................................................................................139
Тест – обнаружение HAT-платы двигателя ...............................................139
Тест – демонстрация работы двигателей ..................................................141
Устранение неполадок ...............................................................................142
Как работает код .........................................................................................142
Рулевое управление робота ...........................................................................144
Типы рулевого управления ........................................................................144
Рулевое управление нашего робота ..........................................................147
Создание объекта Robot – код для взаимодействия с роботом ...................148
Для чего нужен объект? ..............................................................................149
Что мы поместим в объект? .......................................................................150
Разработка сценария для следования по заданной траектории .................154
Выводы ............................................................................................................157
Задание ............................................................................................................157
Дополнительные материалы .........................................................................157

Глава 8. Код на Python для работы с датчиками расстояния .....158
Технические требования ................................................................................158
Выбор между оптическими и ультразвуковыми дальномерами ................159
Оптические дальномеры................................................................................160
Ультразвуковые дальномеры .....................................................................160
Логические уровни и трансляторы логических уровней .........................161
Зачем использовать два датчика? .............................................................164
Подключение ультразвуковых дальномеров и обработка  
получаемых ими данных ...............................................................................165
Установка датчиков на шасси ....................................................................165
Подключение выключателя питания ........................................................167

8  
Оглавление

Подключение дальномеров .......................................................................170
Установка библиотек Python для работы с датчиками ............................172
Считывание данных ультразвуковых датчиков расстояния ...................172
Устранение неполадок ...............................................................................175
Обход стен – разработка сценария обхода препятствий .............................176
Добавление датчиков в класс Robot ..........................................................176
Разработка сценария обхода препятствий ...............................................177
Первая попытка разработки стратегии обхода препятствий ..................178
Разработка более сложной стратегии обхода препятствий .....................182
Выводы ............................................................................................................184
Задание ............................................................................................................184
Дополнительные материалы .........................................................................185

Глава 9. Код на Python для работы со светодиодами ..............186
Технические требования ................................................................................186
Что такое линейка RGB-светодиодов? ..........................................................187
Сравнение технологий светодиодной индикации .......................................187
RGB-значения .............................................................................................189
Подключение светодиодной линейки к Raspberry Pi ...................................190
Установка светодиодной линейки на робота ...........................................190
 Разработка кода для управления дисплеем робота  ..............................................191
Создание интерфейса для управления светодиодами ............................191
Добавляем светодиоды в объект Robot .....................................................193
Тест одного светодиода ..............................................................................194
Тест всех светодиодов ................................................................................196
Реализация радужного свечения на светодиодной линейке .......................197
Цветовые модели ........................................................................................197
Радужное свечение светодиодов ...............................................................199
Использование светодиодов для получения отладочных данных  
в сценариях обхода препятствий ..................................................................201
Реализация обычного свечения ................................................................202
Реализация радужного свечения ...............................................................204
Выводы ............................................................................................................205
Задание ............................................................................................................205
Дополнительные материалы .........................................................................206

Глава 10. Код на Python для управления сервоприводами ....207
Технические требования ................................................................................207
Что такое сервоприводы? ...............................................................................208
Сервопривод: взгляд изнутри ...................................................................209
Отправка управляющих сигналов сервоприводу .....................................210
Позиционирование сервоприводов с помощью Raspberry Pi .....................212
Создание тестового кода ............................................................................213
Устранение неполадок ...............................................................................216
Управление ДПТ и сервоприводами .........................................................217
Калибровка сервоприводов .......................................................................218
Создание механизма поворота и наклона ....................................................219

Оглавление  9

Сборка механизма ......................................................................................220
Установка механизма поворота и наклона на робота..............................224
Разработка кода для механизма поворота и наклона ..................................225
Создание объекта Servos ............................................................................225
Добавляем сервоприводы в класс Robot ...................................................228
Разработка скрипта для движения «головы» робота  
по окружности ............................................................................................229
Запуск сценария .........................................................................................231
Устранение неполадок ...............................................................................231
Реализация сканирующего сонара ................................................................232
Установка датчика ......................................................................................232
Установка библиотек ..................................................................................235
Поведенческий скрипт ...............................................................................235
Выводы ............................................................................................................238
Задание ............................................................................................................239
Дополнительные материалы .........................................................................239

Глава 11. Код на Python для работы с энкодерами ..................240
Технические требования ................................................................................240
Измерение пройденного расстояния с помощью энкодеров ......................241
Где применяются энкодеры .......................................................................241
Типы энкодеров ..........................................................................................241
Кодирование абсолютного или относительного положения ...................243
Кодирование направления и частоты вращения .....................................244
Энкодеры, которые мы будем использовать ............................................245
Установка энкодеров на робота .....................................................................246
Подготовка энкодеров ................................................................................247
Снятие Raspberry Pi ....................................................................................248
Установка энкодеров на шасси ..................................................................249
Подключение энкодеров к Raspberry Pi ....................................................249
Измерение пройденного расстояния с помощью кода на Python ..............251
Ведение журнала ........................................................................................251
Простой подсчет .........................................................................................252
Добавляем энкодеры в объект Robot .........................................................255
Преобразование тактов в миллиметры ....................................................257
Движение по прямой ......................................................................................259
Коррекция отклонения с помощью ПИД-регуляторов ............................259
Создание объекта ПИД-регулятора ...........................................................261
Создание кода для движения по прямой ..................................................263
Устранение неполадок ...............................................................................265
Перемещение на определенное расстояние .................................................266
Рефакторинг преобразования единиц измерения для класса 
EncoderCounter ............................................................................................266
Настройка констант ....................................................................................267
Разработка поведенческого скрипта для движения  
на определенное расстояние .....................................................................268
Выполнение точного поворота ......................................................................270
Создание функции drive_arc ......................................................................274

10  
Оглавление

Выводы ............................................................................................................275
Задание ............................................................................................................276
Дополнительные материалы .........................................................................276

Глава 12. Код на Python для работы с IMU .................................278
Технические требования ................................................................................279
Подробнее об инерциальных измерительных модулях (IMU) ....................279
Предлагаемые модели IMU ........................................................................280
Пайка – подсоединение контактов к IMU .....................................................281
Создание паянного соединения ................................................................281
Установка IMU на робота ................................................................................283
Физическое размещение ...........................................................................283
Подключение IMU к Raspberry Pi ...............................................................286
Считывание данных датчика температуры ..................................................288
Установка программного обеспечения .....................................................288
Устранение неполадок ...............................................................................289
Считывание регистра температуры ..........................................................289
Устранение неполадок ...............................................................................293
Упрощение командной строки VPython ...................................................294
Считывание данных гироскопа с помощью Python .....................................294
Как работает гироскоп ...............................................................................294
Добавление гироскопа в интерфейс .........................................................297
Построение графика данных гироскопа ...................................................297
Считывание данных акселерометра с помощью Python .............................299
Как работает акселерометр ........................................................................299
Добавление акселерометра в интерфейс ..................................................300
Отображение данных акселерометра в виде вектора ..............................300
Считывание данных магнитометра ..............................................................302
Как работает магнитометр ........................................................................302
Добавление интерфейса магнитометра ...................................................304
Отображение данных магнитометра ........................................................304
Выводы ............................................................................................................306
Задание ............................................................................................................306
Дополнительные материалы .........................................................................306

ЧАСТЬ 3. СЛУХ И ЗРЕНИЕ – «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ» 
ДАТЧИКИ ДЛЯ РОБОТА .........................................................309

Глава 13. Система технического зрения робота –  
камера Pi и OpenCV ........................................................................311
Технические требования ................................................................................311
Настройка камеры Raspberry Pi .....................................................................312
Установка камеры на механизм поворота и наклона ..............................313
Подключение камеры ................................................................................316
Настройка программного обеспечения для задач  
компьютерного зрения ..................................................................................318

Оглавление  11

Настройка программного обеспечения камеры Pi ..................................318
Получение изображения с Raspberry Pi ....................................................319
Установка OpenCV и вспомогательных библиотек ..................................319
Создание приложения для потоковой передачи данных  
камеры Raspberry Pi ........................................................................................320
Разработка потокового сервера OpenCV ...................................................321
Создание объекта CameraStream ...............................................................322
Создание главного приложения сервера изображений ...........................323
Создание шаблона ......................................................................................325
Запуск сервера изображений .....................................................................326
Устранение неполадок ...............................................................................326
Запуск фоновых задач во время потоковой передачи .................................327
Создание ядра веб-приложения ................................................................328
Разработка управляемого поведенческого скрипта ................................331
Создание шаблона элемента управления .................................................332
Запуск управляемого сервера изображений ............................................333
Отслеживание цветных объектов с помощью кода на Python ....................333
Преобразование изображения в информацию ........................................334
Усовершенствование ПИД-регулятора .....................................................336
Создание компонентов поведенческого скрипта ....................................338
Запуск поведенческого скрипта ................................................................343
Настройка параметров ПИД-регулятора ..................................................344
Устранение неполадок ...............................................................................345
Отслеживание лиц с помощью кода на Python ............................................346
Поиск объекта на изображении .................................................................346
Сканирование базовых признаков ............................................................347
План поведенческого сценария отслеживания лиц .................................349
Создание кода для сценария отслеживания лиц ......................................350
Запуск поведенческого скрипта отслеживания лиц ................................353
Устранение неполадок ...............................................................................354
Выводы ............................................................................................................354
Задание ............................................................................................................355
Дополнительные материалы .........................................................................355

Глава 14. Код на Python для отслеживания  
линий с помощью камеры .............................................................357
Технические требования ................................................................................358
Введение в отслеживание линий ...................................................................358
Что такое отслеживание линий? ................................................................358
Использование в промышленности ..........................................................358
Типы алгоритмов отслеживания линий ...................................................359
Создание тестового маршрута .......................................................................360
Материалы для создания тестового маршрута ........................................361
Создание линии ..........................................................................................361
Конвейерная обработка данных компьютерного зрения  
для следования по линиям ............................................................................362

12  
Оглавление

Алгоритмы отслеживания линий с помощью камеры ............................362
Конвейер обработки изображения ............................................................363
Проверка алгоритма компьютерного зрения на основе  
образцов изображений ..................................................................................366
Зачем нужны тестовые изображения? ......................................................366
Получение тестовых изображений ............................................................366
Создание кода на Python для обнаружения границ линии .....................368
Определение положения линии по границам ..........................................371
Тест снимков без четкой линии .................................................................372
Следование по линиям с помощью ПИД-алгоритма ...................................374
Создание блок-схемы поведенческого сценария .....................................375
Добавляем время в ПИД-регулятор ..........................................................376
Разработка начального кода для поведенческого скрипта .....................376
Настройка параметров ПИД-регулятора ..................................................383
Устранение неполадок ...............................................................................383
Нахождение линии при ее потере .................................................................383
Выводы ............................................................................................................384
Задание ............................................................................................................385
Дополнительные материалы .....................................................................385

Глава 15. Голосовая связь с роботом посредством Mycroft .....386

Технические требования ................................................................................387
Введение в Mycroft – основные понятия ......................................................387
Преобразование речи в текст.....................................................................387
Слово для пробуждения .............................................................................387
Реплика .......................................................................................................388
Намерение...................................................................................................388
Диалог ..........................................................................................................388
Словарь ........................................................................................................388
Навык ..........................................................................................................388
Ограничения голосового управления ...........................................................389
Аудиовход и выход для Raspberry Pi  .............................................................389
Физическая установка ................................................................................390
Установка программного обеспечения голосового помощника  
на Raspberry Pi ............................................................................................391
Установка программного обеспечения ReSpeaker ...................................392
Настройка взаимодействия звуковой карты и Mycroft ............................394
Начало использования Mycroft ..................................................................395
Устранение неполадок ...............................................................................397
Разработка API с помощью Flask ...................................................................397
Как работает управления роботом с помощью Mycroft ...........................398
Удаленный запуск поведенческого скрипта ............................................399
Создание cервера API управления с помощью Flask ...............................401
Устранение неполадок ...............................................................................403
Разработка кода для запуска Mycroft на Raspberry Pi ..................................403
Разработка намерения ...............................................................................404

Оглавление  13

Устранение неполадок ...............................................................................409
Создание еще одного намерения ..............................................................410
Выводы ............................................................................................................411
Задание ............................................................................................................412
Дополнительные материалы .........................................................................413

Глава 16. Погружаемся глубже в работу IMU .............................414
Технические требования ................................................................................414
Разработка кода для виртуального робота ...................................................415
Создание модели робота в VPython ..........................................................415
Определение параметров вращения с помощью гироскопа .......................419
Калибровка гироскопа ...............................................................................421
Изменение положения виртуального робота на основе  
данных гироскопа ......................................................................................422
Измерение углов тангажа и крена с помощью акселерометра ...................426
Определение углов тангажа и крена на основе векторных  
данных акселерометра ...............................................................................426
Сглаживание данных акселерометра ........................................................429
Совместная обработка данных акселерометра и гироскопа ...................430
Определение направления с помощью магнитометра ...............................433
Калибровка магнитометра ........................................................................433
Приблизительное определение направления робота  
с помощью магнитометра на практике  .......................................................439
Объединение показаний датчиков для ориентирования робота ...............441
Управление роботом на основе показаний IMU ...........................................447
Выводы ............................................................................................................449
Задание ............................................................................................................449
Дополнительные материалы .........................................................................449

Глава 17. Разработка кода на Python для управления  
роботом с помощью смартфона ...................................................451
Технические требования ................................................................................452
Когда голосовое управление не работает  
(или Зачем нам нужно управлять роботом) .................................................452
Режимы меню – выбор поведенческих сценариев ......................................452
Управление режимами робота ..................................................................454
Устранение неполадок ...............................................................................455
Веб-сервер ...................................................................................................456
Шаблон ........................................................................................................456
Запуск приложения ....................................................................................458
Устранение неполадок ...............................................................................460
Выбор контроллера – как лучше управлять роботом и почему ..................461
Обзор будущего приложения .....................................................................461
Подготовка Raspberry Pi к удаленному управлению – основы системы 
управления ......................................................................................................464
Расширение кода ядра изображения ........................................................465
Разработка сценария ручного управления ...............................................466

14  
Оглавление

Шаблон (веб-страница) ..............................................................................468
Таблица стилей ...........................................................................................471
Разработка кода для ползунков .................................................................474
Запуск системы ...........................................................................................477
Устранение неполадок ...............................................................................478
Реализация полного управления роботом через смартфон ........................479
Совместимость режимов меню с поведенческими сценариями,  
использующими Flask ................................................................................479
Загрузка видеосервисов .............................................................................480
Стилизация меню .......................................................................................482
Реализация запуска меню вместе с Pi ...........................................................484
Добавляем светодиоды на сервер меню ...................................................484
Автоматический запуск с помощью инструмента systemd .....................485
Выводы ............................................................................................................487
Задание ............................................................................................................488
Дополнительные материалы .........................................................................488

Часть 4. Дальнейшее изучение робототехники ..................491

Глава 18. Дальнейшее развитие навыков  
программирования робототехнических систем ........................493
Робототехнические интернет-сообщества – форумы и социальные сети ..... 493
Каналы на YouTube, с которыми стоит ознакомиться .............................495
Технические вопросы – куда обратиться за помощью ............................496
Мероприятия – соревнования, площадки для совместной  
работы и встречи ............................................................................................496
Площадки для совместной работы ............................................................497
Maker Faire, Raspberry Jam и Coder Dojo  ...................................................497
Соревнования .............................................................................................498
Навыки, которые стоит освоить, – 3D-печать, пайка,  
печатные платы и станки с ЧПУ ....................................................................499
Навыки проектирования ............................................................................499
Навыки обработки компонентов и cборки ...............................................500
Навыки работы с электроникой ................................................................502
Подробнее о компьютерном зрении .............................................................504
Книги ...........................................................................................................504
Онлайн-курсы .............................................................................................504
Социальные сети ........................................................................................505
Переход к машинному обучению ..................................................................505
Операционная система для роботов .........................................................506
Выводы ............................................................................................................507
Дополнительные материалы .........................................................................507

Глава 19. Планирование следующего робототехнического  
проекта – подводим итоги ............................................................508
Технические требования ................................................................................508
Представляем нового робота – как он будет выглядеть ..............................508

Оглавление  15

Создание блок схемы......................................................................................510
Выбор компонентов .......................................................................................511
Планирование кода ........................................................................................512
Рассказываем миру о проекте .......................................................................515
Выводы ............................................................................................................516

Предметный указатель ..................................................................517

16  
Оглавление

Участники

Об автОре

Дэнни Стейпл (Danny Staple) занимается созданием роботов и гаджетов в качестве 
хобби, снимает видеоролики, посвященные робототехнике, а также является 
участником таких мероприятий, как Pi Wars и Arduino Day. С 2000 года 
профессионально занимается разработкой программного обеспечения. В 2009 
году начал заниматься программированием на Python, уделяя особое внимание 
процессам разработки и автоматизации. Большую часть своей профессиональной 
деятельности Дэнни посвятил работе со встроенными системами, 
включая встроенные системы Linux. Сейчас является наставником в CoderDojo 
Ham, где обучает детей программированию. Ранее руководил клубами LEGO 
Robotics.
Вместе с детьми Дэнни создал таких роботов, как TankBot, SkittleBot, Bangers 
N Bash (робот из ланчбокса), Big Ole Yellow (еще один гусеничный робот), 
ArmBot и SpiderBot.

Я хотел бы поблагодарить Дэвида Андерсона (David Anderson) за ценные советы 
относительно моих идей и мотивацию. Также я выражаю благодарность 
Бену Наттоллу (Ben Nuttall) и Дейву Джонсу (Dave Jones) (@waveform80) за разработку 
GPIOZero и ответы на мои бесчисленные вопросы в Twitter. Со встречи 
с Дейвом Джонсом (Dave Jones), автором библиотеки PiCamera, в ресторане 
Кардиффа начался мой путь к изучению компьютерного зрения. И наконец, 
я благодарю своих детей, Хелену (Helena) и Джонатана (Jonathan), за их поддержку, 
терпение и помощь при работе с графиками.

О рецензентах

Лео Уайт (Leo White) – выпускник Кентского университета (University of 
Kent), профессиональный инженер-программист, интересующийся электроникой, 
3D-печатью и робототехникой. Сначала он занимался программированием 
на Commodore 64, затем разработал несколько приложений для Acorn 
Archimedes, а сейчас на постоянной основе занимается разработкой кода для 
ТВ-приставок. На основе Raspberry Pi Лео создавал роботов из детских игрушек 
и роботов-манипуляторов, попутно описывая этот процесс и свой опыт 
в блоге. Также проводил презентации на Raspberry Jams и участвовал в соревнованиях 
Pi Wars.
Рамкумар Гандинатан (Ramkumar Gandhinathan) – исследователь и профессиональный 
робототехник. Своего первого робота создал в шестом классе. 
Благодаря личным и профессиональным связям он занимается робототехникой 
уже более 15 лет. Рамкумар создал более 80 различных роботов. Общий 

профессиональный опыт в области робототехники составляет 7 лет (4 года полной 
занятости и 3 года неполной/стажировки). На протяжении 5 лет он работал 
с ROS (Robot Operating System – операционная система для роботов). В рамках 
профессиональной карьеры Рамкумар разработал свыше 15 решений ROS для 
промышленных роботов. Также он увлекается созданием и пилотированием 
дронов. В круг его исследовательских интересов и увлечений входит SLAM 
(Simultaneous Localization And Mapping – одновременная локализация и построение 
карты), планирование движений, совместное использование данных 
датчиков, коммуникация между роботами и системная интеграция.

18  
Участники

Предисловие

Эта книга посвящена созданию интеллектуального робота и разработке кода 
для его поведенческих сценариев. Вы узнаете о навыках, которые требуются 
для создания робота из отдельных компонентов, а также о тонкостях их выбора. 
Для построения робота из этой книги вы будете использовать такие компоненты, 
как датчики, двигатели, камеры, микрофоны, динамики, светодиоды 
и Raspberry Pi. 
Далее в книге вы узнаете, как разработать код для перечисленных компонентов. 
Вы будете использовать язык программирования Python, а также немного 
HTML/CSS и JavaScript.
Все компоненты робота, описанные в этой книге, широко доступны. Приведенные 
примеры кода призваны продемонстрировать, как работает та или 
иная технология. В дальнейшем вы сможете комбинировать разные части 
программного и аппаратного обеспечения, чтобы создавать сложных роботов 
с более интересными поведенческими сценариями.
В книге пересекаются темы программирования и робототехники, а также 
раскрывается ряд специализированных тем, таких как компьютерное зрение 
и голосовое управление.

Для кОгО эта книга

Книга подойдет как новичкам в области программирования, так и опытным 
программистам, желающим применить свои навыки в аппаратном проекте. 
Для этого не обязательно быть экспертом, достаточно быть способным ввести 
несколько строк кода и уметь работать с циклами, условиями и функциями. 
В книге затрагивается тема объектно-ориентированного программирования, 
но вам не обязательно разбираться в нем перед прочтением.
Для создания робота из этой книги вам не понадобится специально оборудованная 
мастерская – достаточно уметь паять и крепить компоненты болтами. 
Позже мы поговорим об этом подробнее. 
Вам вовсе не обязательно иметь опыт работы с электроникой или созданием 
каких-либо устройств. В книге представлены базовые понятия, и я надеюсь, 
что это вызовет у вас здоровый интерес к дальнейшему изучению. Самое главное – 
это ваше желание создать робота и научить его делать интересные вещи.

какие темы Описаны в книге

В главе 1 рассказывается о том, как устроены роботы, как они применяются 
на производстве и в быту, а также описываются некоторые примеры роботов, 
созданных новичками.
В главе 2 подробно рассказывается о компонентах робота и о том, как их выбирать. 
Также здесь представлены блок-схемы будущей системы и кода.

В главе 3 говорится о микрокомпьютере Raspberry Pi, его подключении 
и операционной системе – Raspbian Linux. В этой главе вы запишете образ операционной 
системы на SD-карту и научитесь использовать ее в роботе.
В главе 4 рассказывается, как реализовать беспроводную связь робота 
с Raspberry Pi.
В главе 5 вы узнаете, какие неполадки могут возникнуть в коде и как предотвратить 
его потерю, сохранив копии в репозиториях. 
В главе 6 мы переходим к сборке основания робота. Здесь рассказывается 
о тонкостях выбора компонентов и проверке их размещения. 
В главе 7 показано, как разработать код для движения робота. Также здесь 
закладываются основы для кода из следующих глав. 
В главе 8 мы добавим роботу датчики и разработаем для них код, благодаря 
которому робот сможет самостоятельно обходить стены и препятствия.
В главе 9 рассказывается, как добавить роботу цветные светодиоды. Здесь 
вы узнаете, как использовать дополнительные выводы для отладки или просто 
для развлечения.
В главе 10 рассказывается о сервоприводах и их использовании для позиционирования 
сенсорной головки, а также «конечностей» робота.
В главе 11 показано, как создать код для получения точной информации о перемещении 
колес с помощью одометра/тахометра. Здесь ваш робот научится 
ездить по прямой, выполнять точные повороты и определять, насколько далеко 
он переместился. В этой главе мы впервые поговорим о ПИД-регуляторах. 
В главе 12 рассказывается об инерциальном измерительном модуле 
(IMU), который включает датчики для измерения температуры, ускорения, 
скорости вращения и магнитных полей. В этой главе мы впервые поговорим 
о пайке и VPython.
В главе 13 вы узнаете, как получать данные с камеры, и научите робота передвигаться, 
основываясь на компьютерном зрении. Также здесь показано, как 
осуществляется потоковая передача обработанного видео в браузер.
В главе 14 рассказывается, как научить робота следовать по линиям с помощью 
камеры Raspberry Pi.
В главе 15 описывается разработка системы управления роботом с помощью 
голосового помощника. Вы научитесь использовать голосовые команды и получать 
от робота ответы.
В главе 16 рассказывается об объединении датчиков, описанных в главе 12. 
Вы узнаете, как использовать их для определения положения робота, а также 
разработаете поведенческий скрипт, который будет действовать как компас.
В главе 17 мы переходим к созданию веб-приложения меню и панели управления, 
похожей на геймпад. С помощью этой системы вы сможете управлять 
роботом со смартфона, опираясь на видео с камеры.
В главе 18 вы узнаете больше о мире робототехники. Здесь рассказывается 
о различных робототехнических сообществах, потенциальных областях развития 
и соревнованиях роботов.
В заключительной главе 19 обобщается представленная в книге информация, 
а также предлагаются варианты по созданию следующего робототехнического 
проекта.

20  
Предисловие

как извлечь из книги наибОльшую пОльзу

Прежде чем начать работать с книгой, я рекомендую вам потренироваться 
в работе с текстовыми языками программирования. Познакомьтесь с основными 
переменными, условными операторами, циклами и функциями.
Для работы вам потребуется компьютер с операционной системой macOS, 
Linux или Windows, доступ к интернету и Wi-Fi.
Что касается навыков ручного труда, я думаю, что вы умеете пользоваться 
отверткой и без проблем справитесь с кропотливой работой. Также я надеюсь, 
что вас не пугает пайка.
Представленные в книге примеры кода были протестированы на Python 3 
с помощью Raspbian Buster и Picroft Buster Keaton. Их установка описывается 
в тексте соответствующих разделов. Также в тексте рассказывается, как выбрать 
нужные аппаратные компоненты. 

Программное/аппаратное обеспечение, 
используемое в книге
Требования к операционной системе

Python 3
Raspbian Buster

Picroft/Mycroft
Picroft Buster Keaton

OpenCV
Raspbian Buster/Python 3

VPython
Raspbian Buster/Python 3

Flask
Python 3

Прежде чем приобрести какие-либо аппаратные компоненты, ознакомьтесь 
с главами, в которых рассказывается, как правильно их выбрать.
Если вы используете электронную версию книги, я рекомендую 
вводить код самостоятельно или брать его из репозитория на GitHub 
(ссылка предоставлена в следующем разделе). Это позволит избежать 
ошибок, связанных с неправильным копированием/вставкой фрагментов 
кода.

загрузка файлОв с примерами кОДа

Все файлы с кодом из этой книги доступны через ваш аккаунт на веб-сайте 
www.packt.com. Если вы приобрели книгу в другом месте, зарегистрируйтесь, 
перейдите по адресу https://www.packtpub.com/support и оставьте запрос на отправку 
файлов по электронной почте.
Загрузить файлы с кодом вы можете следующим образом.
1.  Войдите (или зарегистрируйтесь) в аккаунт на веб-сайте www.packt.com.
2.  Перейдите во вкладку Support (Поддержка).
3.  Нажмите Code Downloads (Загрузить код). 
4.  В строке поиска введите название книги и следуйте дальнейшим инструкциям 
на экране.
После загрузки файлов нужно обязательно распаковать или извлечь папки 
с помощью новейшей версии одной из следующих программ:

Предисловие  21

 
 WinRAR/7-Zip для Windows;
 
 Zipeg/iZip/UnRarX для Mac;
 
 7-Zip/PeaZip для Linux.
Комплект исходного кода для этой книги размещен на GitHub по адресу 

https://github.com/PacktPublishing/Learn-Robotics-Programming-Second-Edition. 
В случае обновления кода репозиторий также обновится.
По адресу https://github.com/PacktPublishing/ доступны другие комплекты 
исходного кода из нашего богатого каталога книг и видео. Ознакомьтесь и 
с ними!

Code in ACtion

Видеоролики Code in Action для этой книги доступны по адресу 
http://bit.ly/3bu5wHp.

изОбражения в цвете

По адресу https://static.packt-cdn.com/downloads/9781839218804_ColorImages.pdf 
вы можете скачать файл, содержащий все изображения (в том числе скриншоты 
и схемы) из книги, в формате PDF.

испОльзуемые ОбОзначения

В книге используется ряд текстовых обозначений. 
Код в тексте: так в тексте выделяются фрагменты кода, названия таблиц баз 
данных, папок, файлов, расширения файлов, составные имена файлов, пути, 
фиктивные URL-адреса, фрагменты пользовательского ввода и ссылки на Twitter. 
Например: «… задает параметр color для светодиода с номером led_number».
Блоки кода выглядят следующим образом:

cyan_rgb = [int(c * 255) for c in cyan]

Элементы или строки кода, на которые нужно обратить особое внимание, 
выделяются жирным шрифтом:

right_distance = self.robot.right_distance_sensor.distance 
  # Отображение 
   self.display_state(left_distance, right_distance)

Ввод или вывод командной строки выглядит так:

>>> r.leds.show()

Жирный шрифт: так выделяются новые термины, важные части текста 
или текст, который вы должны видеть на экране. Например, текст из меню 
или диалоговых окон: «Выберите 4 для Other USB Microphone (Другой USB-
микрофон) и проверьте звук».

Советы и важные примечания
Они выделяются следующим образом.

22  
Предисловие