Programming Fundamentals cho Robotics

ROS (Robot Operating System) là một framework mã nguồn mở cung cấp các thư viện và công cụ để xây dựng phần mềm cho robot. Nó không phải là một hệ điều hành thực sự, mà là một lớp trung gian (middleware) giúp chuẩn hóa giao tiếp giữa các thành phần phần cứng và phần mềm, thúc đẩy tái sử dụng code và tăng tốc độ phát triển.

Lập trình robot tương tác trực tiếp với thế giới vật lý. Nó đòi hỏi xử lý dữ liệu từ cảm biến trong thời gian thực, điều khiển động cơ chính xác, và đối phó với sự không chắc chắn của môi trường. Lập trình web chủ yếu xử lý dữ liệu trong một môi trường ảo được kiểm soát.

Python có cú pháp đơn giản, dễ học, và một hệ sinh thái thư viện mạnh mẽ cho tính toán khoa học, AI và machine learning (như NumPy, TensorFlow, PyTorch), vốn là những lĩnh vực quan trọng trong robotics hiện đại. Nó rất tốt cho việc tạo mẫu nhanh và các tác vụ cấp cao.

C++ được ưu tiên cho các tác vụ đòi hỏi hiệu năng cao và xử lý cấp thấp, gần với phần cứng. Ví dụ: các vòng lặp điều khiển thời gian thực, xử lý ảnh tốc độ cao, hoặc lập trình cho các vi điều khiển có tài nguyên hạn chế.

Là một hệ thống máy tính chuyên dụng được thiết kế để thực hiện một hoặc một vài chức năng cụ thể, thường được tích hợp vào một hệ thống cơ khí hoặc điện tử lớn hơn. Vi điều khiển trong robot là một ví dụ về hệ thống nhúng.

Robot sử dụng các cảm biến như camera (cho thị giác máy tính), LiDAR (đo khoảng cách bằng laser), cảm biến siêu âm, và cảm biến hồng ngoại để thu thập dữ liệu về môi trường. Dữ liệu này sau đó được xử lý bằng các thuật toán để nhận dạng vật thể, xây dựng bản đồ, và định vị.

SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) là một tập hợp các thuật toán cho phép robot vừa xây dựng bản đồ của một môi trường không xác định, vừa đồng thời xác định vị trí của chính nó trong bản đồ đó. Đây là một khả năng cốt lõi của robot tự hành.

Nó nghiên cứu về chuyển động của robot mà không xét đến lực gây ra chuyển động. Động học thuận (Forward Kinematics) tính toán vị trí của điểm cuối (end-effector) dựa trên góc của các khớp. Động học ngược (Inverse Kinematics) thì ngược lại, tính toán các góc khớp cần thiết để đưa điểm cuối đến một vị trí mong muốn.

Máy trạng thái là một mô hình lập trình rất hữu ích để quản lý hành vi của robot. Robot có thể ở các trạng thái khác nhau (ví dụ: "đang đi tuần tra", "đang sạc", "đang tránh vật cản") và chuyển đổi giữa các trạng thái này dựa trên dữ liệu từ cảm biến hoặc các sự kiện.

Một cách tuyệt vời để bắt đầu là với một bộ kit robot giáo dục như LEGO Mindstorms hoặc các nền tảng dựa trên Arduino/Raspberry Pi. Bắt đầu với Python, học các khái niệm cơ bản về điện tử, và sau đó dần dần tìm hiểu về ROS.