Языки программирования для робототехники: какие нужны и что выбрать

Робототехника находится на стыке программирования, электроники и механики, поэтому одного универсального языка для всех задач здесь нет. Программа мобильного робота, код для микроконтроллера и логика промышленного манипулятора могут создаваться совершенно разными средствами.

Если коротко отвечать на вопрос, на каких языках программируют роботов, чаще всего разработчик встречается с Python, C++, C и специализированными средствами конкретных робототехнических платформ. В ROS активно применяются Python и C++, для Arduino – C/C++, а производители промышленных систем могут использовать собственные языки и среды.

Поэтому новичку лучше сначала определить, какого робота он хочет создавать и какие задачи решать, а уже после выбирать язык.

Современный робот состоит из нескольких уровней. На одном работает микроконтроллер, который получает данные от датчиков и управляет моторами. На другом программа строит маршрут, распознает объекты или принимает решения. Отдельная система может отвечать за интерфейс оператора, передачу данных и управление устройствами.

Из-за этого в одном проекте иногда одновременно используются несколько технологий:

• Python – обучение, прототипирование, ROS, компьютерное зрение и алгоритмы высокого уровня;
• C++ – ROS, управление оборудованием и задачи, где важны производительность и контроль ресурсов;
• C/C++ – микроконтроллеры и embedded-разработка;
• Java – отдельные приложения, сервисы и платформы;
• специализированные языки – промышленная автоматизация и роботы конкретных производителей.

Новичку не требуется знание всего списка. Гораздо полезнее освоить один язык достаточно хорошо, научиться писать работающий код и только затем добавлять инструменты под конкретную задачу.

Python – один из наиболее удобных вариантов для знакомства с программированием роботов. У него сравнительно простой синтаксис, поэтому начинающий быстрее переходит от изучения конструкций языка к работе с реальными задачами.

На Python можно писать программы для обработки данных от датчиков, компьютерного зрения, навигации, автоматизации и взаимодействия между компонентами системы. В ROS 2 существует официальная клиентская библиотека rclpy, которая позволяет создавать узлы и другие программные компоненты на Python.

Например, робот получает изображение с камеры. Программа может обработать кадр, определить положение объекта и передать результат другому компоненту, отвечающему за движение. Для первых экспериментов такой уровень позволяет быстрее проверить идею, чем разработка всей системы с нуля на низкоуровневом языке.

Python особенно разумно выбирать, если человек только начинает изучать робототехнику и хочет научиться писать программы до погружения в особенности памяти, указателей и компиляции C++.

Но у Python есть ограничения. Там, где программа должна очень быстро обрабатывать события или работать близко к аппаратному уровню, разработчики часто используют C или C++.

C++ – еще один важный язык в робототехнической разработке. Он позволяет писать производительный код и точнее управлять ресурсами системы, поэтому применяется в ROS, драйверах, алгоритмах управления, навигации и других технических компонентах.

В ROS 2 официальная библиотека для C++ называется rclcpp. Она работает рядом с Python-библиотекой rclpy, поэтому один проект может включать узлы, написанные на разных языках.

Условно можно представить такую систему: на C++ разработчик пишет компонент, который должен быстро получать данные и управлять движением робота, а на Python – программу анализа данных или экспериментальный алгоритм.

Для начинающего C++ обычно требует больше времени. Необходимо разобраться с типами данных, классами, памятью, компиляцией и устройством программы. Зато это знание открывает доступ к более низкому уровню разработки.

Поэтому учить Python или C++ не обязательно по принципу «или – или». В робототехнике эти инструменты хорошо дополняют друг друга.

Не вся логика робота выполняется на обычном компьютере. Датчики, двигатели, сервоприводы и другая электроника могут управляться микроконтроллерами.

Для таких задач широко используется C и C++. Arduino, например, предоставляет собственную среду и API для написания программ, а актуальная документация платформы также описывает работу с C++.

Простейшая программа может получить значение датчика расстояния и в зависимости от результата включить мотор. На этом уровне разработчику приходится понимать не только программирование, но и то, как код взаимодействует с физическим устройством.

Именно поэтому человеку, который хочет создавать собственных мобильных роботов, манипуляторы или умные устройства, полезно после базового Python перейти к C/C++ и работе с микроконтроллерами.

Java встречается в робототехнике реже, чем Python и C++, но может использоваться в прикладных программах, Android-приложениях, серверных системах и отдельных робототехнических платформах.

Также в проекте могут появиться JavaScript, C# и другие технологии. Например, веб-интерфейс для управления роботом может писаться на JavaScript, а отдельное приложение оператора – на другом подходящем языке.

Поэтому вопрос не должен звучать как «какой язык используется в робототехнике вообще». Правильнее спрашивать: какую часть системы необходимо написать?

Для двигателя ответ будет одним, для компьютерного зрения – другим, для панели оператора – третьим.

Промышленная робототехника устроена несколько иначе. Здесь разработчик часто работает не только с универсальными языками, но и со средой конкретного производителя.

Например, ABB использует собственный язык RAPID для программирования своих промышленных систем. KUKA применяет KRL – KUKA Robot Language. Производители также предлагают среды, в которых можно создавать, моделировать и проверять программы до запуска на реальном оборудовании.

Поэтому язык программирования промышленных роботов зависит от производителя, контроллера и производственной линии.

Специалисту может потребоваться писать последовательности движений манипулятора, определять точки траектории, задавать условия, работать с сигналами оборудования и связывать робота с другими элементами автоматизированной линии.

На производстве также встречаются PLC и языки промышленной автоматизации. Поэтому требования к инженеру здесь могут отличаться от вакансий, связанных с мобильными роботами, ROS или исследовательской разработкой.

Подробнее о задачах такого специалиста можно прочитать в материале «Инженер-робототехник: кто это и чем занимается».

Оба языка используются в робототехнических проектах, но решают немного разные задачи.

В ROS оба варианта являются полноценными официально поддерживаемыми направлениями: rclpy используется для Python, rclcpp – для C++.

Если человек никогда раньше не занимался программированием, разумно сначала научиться писать программы на Python. После этого переход к C++ будет проще, потому что основные понятия – переменные, условия, циклы, функции, алгоритмы – уже будут знакомы.

Если же цель с самого начала связана с embedded-разработкой, микроконтроллерами или производительными компонентами, можно раньше переходить к C/C++.

ROS – одна из важных технологий в современной робототехнической разработке. Это набор программных библиотек и инструментов, позволяющих создавать приложения для роботов и организовывать взаимодействие между отдельными компонентами системы. Проект ROS официально поддерживает клиентские библиотеки для C++ и Python.

Например, один узел программы получает информацию от камеры, второй определяет объект, третий рассчитывает маршрут, а четвертый передает команды системе управления.

Для начала достаточно одного языка. Новичок может писать первые ROS-программы на Python, освоить узлы, топики, сервисы и общую архитектуру, а позже добавить C++.

Специалисту, который хочет профессионально заниматься ROS-разработкой, со временем полезно понимать оба варианта.

Выбор проще делать не по популярности технологии, а по будущим проектам.

Если хочется познакомиться с робототехникой с нуля – Python. Он позволяет быстрее освоить базовое программирование и перейти к практическим проектам.

Если хочется собирать устройства на Arduino и работать с микроконтроллерами – C/C++. Придется одновременно изучать электронику, датчики и управление исполнительными устройствами.

Если интересует ROS – Python, затем C++. Сначала можно написать простые узлы и разобраться с архитектурой системы, а потом переходить к более сложным компонентам.

Если цель – промышленный робот – изучайте платформу конкретного производителя. Для ABB потребуется знакомство с RAPID, для KUKA – с KRL и соответствующими инструментами.

Главная ошибка – пытаться сначала выучить пять технологий и только потом сделать первый проект. Полезнее выбрать одну среду, написать небольшую программу и заставить реальное или виртуальное устройство выполнить понятную задачу.

На старте – нет. Для первого проекта достаточно одного инструмента.

Но профессиональная работа постепенно может требовать более широкого стека. Один разработчик пишет низкоуровневый компонент на C++, другой использует Python для компьютерного зрения, а контроллер производственной линии программируется в отдельной среде.  

Поэтому знание нескольких технологий становится преимуществом не само по себе, а потому что позволяет понимать разные уровни робототехнической системы.

Хорошая последовательность обучения может выглядеть так:

Python → основы алгоритмов → электроника → C/C++ → микроконтроллеры → Linux → ROS → специализация.

При этом путь зависит от направления. Человеку, который собирается работать с промышленными манипуляторами, потребуется другой набор навыков, чем специалисту по беспилотным системам или компьютерному зрению.

О направлениях работы подробнее рассказано в статье «Профессии в робототехнике: кем можно работать».

Умение писать код – только одна часть профессии. Робот существует в физическом мире, поэтому разработчику приходится понимать, как программа связана с датчиками, двигателями и механикой устройства.

В зависимости от специализации пригодятся:

• основы электроники и электротехники;
• математика и линейная алгебра;
• алгоритмы и структуры данных;
• Linux и командная строка;
• Git;
• микроконтроллеры;
• датчики и исполнительные механизмы;
• основы автоматического управления;
• компьютерное зрение;
• ROS;
• сети и протоколы обмена данными.

Необязательно изучать все одновременно. Лучше выбрать простой робототехнический проект и добавлять знания по мере возникновения задач.

Например, сначала написать на Python программу обработки изображения. Затем подключить камеру. После этого создать систему, которая определяет объект, передает координаты и помогает роботу принять решение. Такой подход связывает теорию с практикой гораздо быстрее, чем изучение языка без проектов.

Единственного правильного варианта нет. Python удобен для старта, алгоритмов высокого уровня, ROS и быстрых экспериментов. C++ позволяет глубже работать с производительными компонентами и оборудованием. C/C++ необходимы во многих embedded-проектах, а промышленный сектор использует еще и специализированные технологии производителей.

Поэтому сначала определите направление:

• роботы и ROS → Python + C++;
• Arduino и embedded → C/C++;
• компьютерное зрение → Python и C++;
• промышленные системы → платформы производителя + автоматизация.

Для новичка хорошей отправной точкой остается Python. Но цель обучения – не выучить синтаксис ради синтаксиса, а научиться писать код, который получает информацию из окружающего мира, обрабатывает ее и заставляет устройство выполнять полезную работу.

Именно сочетание программирования, электроники и инженерного мышления превращает обычную программу в систему управления настоящим роботом.