Microcontrollers and robotics

The first microcontroller in the world: Intel 8048

Microcontroller sind eigentlich Computer, welche auf einen einzelnen integrierten Chip platziert werden. Sie haben Speicher, Prozessor als auch Input-Output Schnittstellen. Microcontroller werden für eine bestimmte Aufgabe programmiert, d.h. wenn eine Änderung oder Verbesserung der Aufgabe benötigt wird, muss man einfach das neue Programm auf den Chip installieren. Aspekte welche den Microcontroller von anderen Computern (PC, Laptop, Server, etc.) unterscheiden sind

• Alle Funktionen werden auf einen einzelnen Chip gespeichtert, in einem kleineren und kompakteren Ausmaß.
• Er ist für eine einzige Aufgabe programmiert, um die Funktionalität zu ändern muss neue Software installiert werden.
• Er verbraucht weniger Strom, weil alle physikalischen Eigenschaften kleiner sind und weniger Energie verbrauchen als ein PC, Laptop oder Server. Normalerweise konzentrieren sich Entwickler für Microcontroller auf niedrigen Energieverbrauch, so dass mobile Applikationen, welche Akkus benötigen, länger laufen.
• Einzweck Inputs und Outputs. Microcontroller haben sogenannte „peripherals“, welche Verbindungen zwischen den Microcontroller und anderen Microcontroller oder Computer (z.B. USB, CAN, UART) aufbauen können, können helfen Prozesse in der wirklichen physikalischen Welt (z.B. Schaltvorgänge, Temperaturmessungen, etc.)zu verstehen und können dabei helfen Umgebungen kontrollieren (z.B. Motoren kontrollieren, Alarm auslösen etc.)

Microcontroller können in den verschiedensten Variationen und alltäglichen Gegenständen gefunden werden: Haushaltsgegenstände ( Mikrowelle, Fernseher), Spielzeug (Lego NXZ, Sprechende Puppen), Fahrzeuge (Auto, Fahrstuhl), stv. Der große Einsatzbereich der Microcontroller ist möglich, weil sie einfach zu programmieren sind und eine große Funktionalität besitzen, daher ist auch sehr einfach neue Features hinzuzufügen und die Intelligenz der Anwendung zu verbessern.

Robotics ist die Wissenschaft welche die notwendige Technologie und das Wissen kombiniert um Roboter zu bauen. Auf Grund der schnellen Entwicklung der Technologie ist der Begriff Roboter, als automatisierte Maschine die den Menschen ersetzt, nicht mehr so klar. Roboter sind nicht mehr nur humanoide Roboter, Roboterhände in den Fertigungshallen der Automobilindustrie, Autopiloten in Flugzeugen, Künstliche Intelligenz aufgebaut auf lebende Neuronen , oder der einfache Putzroboter, Roboter sind außerdem Computersoftware welche Arbeiten erledigt die eigentlich für den Menschen gedacht sind (z.B. Berichte verfassen). Es ist bekannt das Roboter gebaut werden um den Mensch für eine bestimmte Aufgabe zu ersetzen. Dafür gibt es viele Gründe: Gefährliche Arbeitsumgebung, günstigere Produktion, eintönige Arbeit wo der Mensch Fehler machen kann, neue Systeme sind so komplex und Zeitkritisch, dass automatisierte Systeme bessere Entscheidungen treffen kann als der Mensch.

Aufgrund der Weitläufigkeit der Robotics, beziehen wir uns auf die Hobby-Robotics, wo die Systeme nicht zu komplex sind und die Möglichkeit besteht diese Systeme alleine zu bauen. Allgemeine Microcontroller in den Hobby-Robotics sind:

• Atmel AVR microcontrollers (ATmega, ATtiny, etc.)
• Microchip Technology PIC microcontrollers (PIC16, PIC24, etc.)
• Microcontrollers basierend auf ARM Technologie.

Sehr oft haben Drittanbieter eine Entwicklungsplatine und Umgebungen gebaut, welche auf die im Vorfeld genannten Microcontroller basieren. Zum Beispiel: Arduino (AVR), BASIC Stamp (PIC) and Lego NXT (ARM). Notwendigkeiten, um mit HomeLab zu entwickeln, welche in diesem Buch beschrieben werden, basieren auf den AVR ATmega128 microcontroller. Die Frage die einem in den Sinn kommt bei der großen Anzahl an Microcontroller und Development-Boards die zur Verfügung stehen: Wie finde ich das Nützlichste? Generell können wir vier Eigenschaften beurteilen: Preis, Physikalische Eigenschaften, Entwicklungsumgebung und der Costumer-Support. Wichtige physikalische Eigenschaften sind:

• processor operating frequency - bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit
• program memory capacity – bestimmt die Größe des Programms das installiert werden kann
• data memory capacity – wieviel Daten im Programm bearbeitet werden können
• number of input/output pins and their function – unterschiedliche Pins haben unterschiedliche Möglichkeiten
• number of timers – important for pursue time criteria
• energy consumption – wichtig für mobile Applikationen

Hier ist die Entwicklungsumgebung PC-Software, welche das erstellen und kompilieren von Programmen erlaubt, das uploaden des Programms in den Microcontroller und den Zugriff auf das Programm während es läuft um mögliche Fehler zu entdecken. Wie einfach und komfortabel es ist, wird schnell klar, weil während der Entwicklungsperiode des Programms, dies ihre primäre Arbeitsoberfläche ist. Darauf folgt die vierte Eigenschaft, der Costumer-Support. Es ist wichtig, dass Hilfe und Unterstützung um mögliche Probleme zu lösen so einfach wie möglich zugänglich ist. Unter Berücksichtigung aller alle vier genannten Eigenschaften, sollte es möglich sein, das benötigte Development-Board zu finden.