Základy stavby
a programování robotů

• Typy pohybu
• Přehled typů podvozků pro mobilní roboty pohybující se po rovině
• Výhody a nevýhody podvozků
• Kalibrace kol
• Úvod do programů pro správu a zálohování programů – Git

Praktické cvičení: Rozšiř kalibrační kód tak, abys získal*a minimální PWM rozjezdu a dojezdu. Kód pak nahraj na GitHub a napiš si vlastní algoritmus kalibrace.

Výstupy z lekce: Znám typy podvozků pro mobilní roboty i jejich výhody a nevýhody, rozumím, proč je nástroj jako Git užitečný pro správu kódu, a umím nahrát kód na GitHub.

• Víme, kolik ujela kola, ale kolik ujel robot?
• Kinematika diferenciálního podvozku
• Praktická část – programování kinematiky

Praktické cvičení: Otestuj pohyb po přímce a po kružnici, pak přidej vyčítání baterie a navrhni ukončení pohybu, pokud baterie klesne pod určitou úroveň.

Výstupy z lekce: Rozumím kinematice diferenciálního podvozku a umím naprogramovat robota tak, aby vykonával zadané příkazy pro jízdu po kružnici.

• Stavové automaty – co to je a kdy se to hodí
• Behaviour Trees – co to je a kdy se to hodí
• Výhody a nevýhody
• Praktická část – programování stavového automatu

Praktické cvičení: Naprogramuj zadaný příklad stavového automatu s pomocí tříd.

Výstupy z lekce: Chápu, co je stavový automat a Behaviour Tree, rozumím jejich výhodám a nevýhodám a umím naprogramovat stavový automat.

• Typy senzorů pro jízdu po čáře: světelný, magnetický, dotykový, kamera
• Praktická část – vyčítání senzorů, pozorování vlivu externího osvětlení a bang-bang regulátor pro jízdu po čáře

Praktické cvičení: Uprav kód z hodiny tak, aby tvůj robot jel po černé čáře co nejrychleji, ale zároveň stabilně (nesmí vyjet z čáry). Taky přidej další chování, tedy pokud robot vyjede z čáry, tak se jí pokusí opět najít.

Výstupy z lekce: Znám senzory pro detekci čáry, vím, v jakých aplikacích je vhodné sledování čáry využít, a umím naprogramovat robota tak, aby jel po křivolaké čáře.

• Rozšíření kódu z předchozí hodiny
• Využití všech 3 senzorů čáry na podvozku
• Praktická část – programování: metoda detekuj křižovatku, metoda zatoč…
• Indikace na křižovatce: princip NeoPixel a programování blikání LED

Praktické cvičení: Zkombinuj metody z hodiny, aby robot zvládl zatočit na křižovatce typu kříž, přidej indikaci na křižovatce podle směru zatáčení a další světla (dopředná, brzdová).

Výstupy z lekce: Umím naprogramovat detekci křižovatek a ovládat LED světla na robotu.

• Typy lokalizace: relativní a absolutní
• Senzory pro lokalizaci: odometrie, laser, kamera, GPS, …
• Princip relativní lokalizace
• Programování: relativní lokalizace na mřížce – x, y

Praktické cvičení: Rozšiř funkci z hodiny a doplň do ní počítání úhlu. Pokud chceš větší výzvu, uprav kód tak, aby fungoval i při zaoblených rozích mapy.

Výstupy z lekce: Znám senzory pro lokalizaci a jejich principy, rozumím rozdílu mezi relativní a absolutní lokalizací a umím naprogramovat relativní lokalizaci.

• Úvod do modelace CAD
• Praktická část: „sketch-based“ modelace
• Diskuze: jaké nedostatky má stavebnice robota

Praktické cvičení: Vymodeluj jednoduchou součástku. Pokud chceš větší výzvu, zkus vymodelovat základní desku robota.

Výstupy z lekce: Vím, co je to CAD a k čemu je dobrý, umím vymodelovat základní tvary v CAD a navrhnout komponentu robota vyrobenou z plexiskla.

• Přehled technologií výroby: Řezání a 3D tisk
• Výběr motorů
• Výběr kol
• Návrh základní nosné desky

Praktické cvičení: Vyber vhodné motory a svou volbu odůvodni. Pokud chceš větší výzvu, zkus vymodelovat další části, které by se na robotu daly vylepšit.

Výstupy z lekce: Rozumím technologiím výroby komponent a umím vybrat správné motory a kola.

• Jak vybrat vhodné senzory
• Napájení: baterie, rozvody, na co si dát pozor
• Napájení: jak vybrat vhodnou baterii
• Typy sběrnic: USB, sériový port, I2C, Ethernet, CAN

Praktické cvičení: Vyber vhodné senzory a svou volbu odůvodni. Pokud chceš větší výzvu, zkus vybrat i vhodnou baterii.

Výstupy z lekce: Chápu základní typy baterií a vím, jak vybrat tu správnou, rozumím vlivu elektromagnetického pole, znám základní protokoly pro komunikaci, mám přehled o mikrokontrolérech a umím vybrat ten nejvhodnější.

• Přehled řídicích desek (Arduino, Teensy, STM32, Raspberry Pi, …)
• Základní principy funkce
• Přerušení
• Systémy reálného času (Real-Time OS = RTOS)

Praktické cvičení: Vyber vhodnou řídicí desku a svou volbu odůvodni.

Výstupy z lekce: Znám nejčastější typy mikrokontrolérů a řídicích desek, rozumím základním principům jejich fungování, vím, co je přerušení, kdy se hodí a jak funguje, a chápu, co jsou Real-Time OS a k čemu jsou dobré.

• Typy senzorů pro detekci překážek: dotykový, senzor otáček, ultrazvukový, infračervený, radar, laser, kamera
• Programování:
  • Detekce překážky a zastavení
  • Adaptivní tempomat – princip
• Zpětná vazba: využití informace ze senzoru
• Základy regulace: P regulátor
• Praktická část – programování:
  • Implementace P regulátoru
  • Jak vybrat vhodný P parametr

Praktické cvičení: Vyber vhodný P parametr a svou volbu odůvodni.

Výstupy z lekce: Znám typy senzorů vhodných pro detekci překážek, rozumím, co je zpětná vazba a k čemu je dobrá, chápu termín P regulace a umím naprogramovat P regulátor.

• Když P regulátor nestačí: PID regulace
• Jak vybrat vhodné parametry I a D
• Praktická část – programování:
  • Regulátor pro jízdu po čáře
  • Jak vybrat rychlost řídicí smyčky

Praktické cvičení: Uprav svůj kód z hodiny tak, aby tvůj robot jel po čáře co nejrychleji, ale zároveň bez zákmitů.

Výstupy z lekce: Chápu, proč je potřeba PID regulátor, umím vybrat vhodné PID parametry a použít Ziegler-Nicholsovu metodu pro jejich nastavení i pro výběr rychlosti smyčky.

• Rozdíl mezi navigací a plánováním cest
• Typy navigace: lokální a globální
• Lokální navigace – základní algoritmy: „Bug“ algoritmus
• Jak funguje servo
• Praktická část – programování: Metoda, jak otočit servem o požadovaný úhel

Praktické cvičení: Využij funkce z hodiny a naprogramuj „bug“ algoritmus.

Výstupy z lekce: Rozumím rozdílu mezi plánováním cest a navigací, chápu rozdíl mezi globální a lokální navigací a vím, jak funguje servo.

• Zobecnění principu relativní lokalizace
• Výhody a nevýhody odometrie
• Princip rotačního enkodéru
• Praktická část – programování: Výpočet, kolik kolo ujelo

Praktické cvičení: Využij kód z hodiny a dokonči algoritmus odometrie.

Výstupy z lekce: Rozumím odometrii, umím ji naprogramovat a chápu, jak minimalizovat její problémy.

• Lokální plánování cest – „carrot-chasing“ (fyzické i virtuální)
• Praktická část – programování: „Carrot-chasing“ algoritmus

Praktické cvičení: Využij funkce z hodiny a dokonči programování „carrot-chasing“ algoritmu.

Výstupy z lekce: Rozumím základním algoritmům navigace a umím je naprogramovat.

• V-model systémového inženýrství
• Standardy, ISO a opakovatelnost
• Unit, integrační a systémové testování
• Přehled softwaru používaného v průmyslu: ROS2, OpenCV, TensorFlow, PyTorch, Gazebo, Unity

Výstupy z lekce: Chápu, proč je potřeba správně zmapovat požadavky zákazníka, rozumím vývojovému cyklu a znám rozdíly mezi různými úrovněmi testování.

• Přehled soutěží
• Přehled kurzů
• Vyhodnocení projektu

Výstupy z lekce: Vím, jak mohu své schopnosti dále rozvíjet.