Arduino六足機(jī)器人第三部分：遠(yuǎn)程控制

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

在本系列的第三部分也就是最后一部分，我們將為機(jī)器人添加最后一個部件：遙控器。此外，我們對支腳進(jìn)行了一些細(xì)微的改進(jìn)，使它們能夠在任何類型的基底表面都能更加穩(wěn)定。首先，我們會介紹經(jīng)過細(xì)微修改的支腿機(jī)制，然后將HC-05藍(lán)牙連接到Arduino以實現(xiàn)無線控制。最后，我們將編寫一個Processing應(yīng)用程序，這樣我們就不必為ArduPod的每次移動使用書面指令了。

如果您第一次知道該項目，請先參考本項目的第一部分和第二部分，然后再進(jìn)行下一步的操作：Arduino六足機(jī)器人第一部分—機(jī)械與布線 以及 Arduino六足機(jī)器人第二部分：編程。

硬件

? 第一部分獲得的六足機(jī)器人

? HC-05 藍(lán)牙模塊

? 1 kΩ 電阻和 1.8 kΩ (or 2.2 kΩ) 電阻

軟件

? Arduino IDE

? Processing 3.2.3

? GitHub – 包含最新源代碼

? Release 1.0.0 – 或者，您可以在此處下載v1.0.0的源代碼。如果GitHub上的代碼有重要的API破壞性更新，這些代碼仍然可以像本文描述的那樣運(yùn)行。

工具

? 烙鐵

改善支腿

我自己制造六足機(jī)器人的時候，面臨的最大難題是支腿在光滑表面上很不穩(wěn)定。通常，在支腿上添加某種防滑材料就可以很輕松地解決這個問題。但是，這個機(jī)器人的支腿與地面間的接觸面積太小了。增大支腿與地面的接觸面積對防滑效果大有幫助，同時還能改善支腿的整體穩(wěn)定性。

圖1：舊的支腿（左）和新的支腿（右）

在上圖中，您可以看到支腿的底部增加了一個支撐零件。與其他零件一樣，該零件也是使用黑色ABS材料通過3D打印機(jī)制造的。在我的GitHub上可以找到其他零件的模型。

圖2：添加到支腿上的新零件。請注意底部的深綠色防滑層

現(xiàn)在我們可以在支腳底部添加防滑層了。我用了一塊綠色的凝膠墊。這種材料即使在非常輕的負(fù)載下也不會發(fā)生打滑。如果您無法獲取這種材料，其他選擇就非常少了（比如橡膠）?？梢栽囋嚳茨姆N材料最適合您的機(jī)器人。然后從材料上切下六個圓圈，將這些圓圈粘在腳上，這一步就完成了！

我要做的下一個改進(jìn)比支腳要復(fù)雜一些。在當(dāng)前系統(tǒng)中，伺服只在一個地方與支腿連接。這會使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個薄弱點(diǎn)，該薄弱點(diǎn)將會承受大部分的負(fù)載，這可能導(dǎo)致在某個時刻發(fā)生斷裂。在圖3中，您可以看到當(dāng)前的附著系統(tǒng)和旁邊新的附著系統(tǒng)。

圖3：舊的附著系統(tǒng)（左）和新的附著系統(tǒng)（右）

我們注意到所添加的新零件使伺服可以在兩個位置進(jìn)行連接：軸上（之前的連接點(diǎn)）和伺服的相對側(cè)。將帶有旋鈕的小墊子粘貼到伺服上可以為伺服提供額外的支撐。現(xiàn)在，伺服連接在兩個位置上，負(fù)載分配在這兩點(diǎn)之間。這樣就可以進(jìn)行更好的運(yùn)動控制。

無線 Arduino

現(xiàn)在我們已經(jīng)解決了支腿的問題，可以來連接HC-05藍(lán)牙模塊了，通過該模塊可以對機(jī)器人進(jìn)行無線控制。由于所有的控件都由Arduino來操控，我們的主要任務(wù)是向其發(fā)送指令。

與Arduino之間進(jìn)行無線通信的方法主要有以下幾種：

1.RF 模塊 – 這是最基本的（也是最便宜的）無線通信方式。通常，它們在單個無線電頻帶（433, 868 或915 MHz）中運(yùn)行，并且需要在用戶端進(jìn)行一些設(shè)置。RF模塊的主要優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)（可達(dá)數(shù)百米）和功耗相對較低。

2.LoRa – LoRa模塊類似于上述RF模塊，但使用了特殊的調(diào)制方式，使其在相同功耗的前提下可以實現(xiàn)更大范圍的通信（可達(dá)幾千米）。當(dāng)然，代價是傳輸速度極慢，最大傳輸速度僅為每秒幾百位。

3.WiFi – WiFi 模塊是使Arduino可以連接到網(wǎng)絡(luò)的快速簡便的方法，但是范圍通常相當(dāng)有限。而且，該模塊的功耗會很高。

4.GSM – 這是使您的手機(jī)可以正常工作的技術(shù)。GSM模塊相對于其他選項具有很大的優(yōu)勢：只要有信號就可以實現(xiàn)通信，即使Arduino和目標(biāo)PC相距數(shù)百公里。GSM的最大缺點(diǎn)是它需要大量電源—在某些情況下，電流消耗可能會上升到幾安培，這時僅使用電池就很難完成供電了。

5.ZigBee 技術(shù) – XBee模塊通常比此處提到的其他模塊要貴，但是它們很容易與Arduino交互。這些模塊是作為藍(lán)牙的替代產(chǎn)品而開發(fā)的，通常來說通信距離可達(dá)75米。

6.藍(lán)牙 – 這就是我在本項目中最后決定使用的模塊。藍(lán)牙非常易于使用，在本項目中，范圍有限并不是什么大問題：我們沒有打算讓ArduPod去跑到距離計算機(jī)幾十米以外的地方進(jìn)行一次大型探險。并且，大多數(shù)智能手機(jī)都具有藍(lán)牙功能，如果您打算編寫一個智能手機(jī)應(yīng)用程序，那么通過該模塊就可以輕松完成。

因此，我們將在該項目中使用藍(lán)牙模塊。我使用HC-05藍(lán)牙模塊，主要是因為它是最便宜、最常見的模塊。由于該模塊的作用就像一個串行COM端口，因此HC-05與Arduino的連接非常容易，如下面的Fritzing示意圖所示：

圖4：HC-05藍(lán)牙模塊和Arduino Mega的接線圖

圖5：將HC-05藍(lán)牙模塊連接到Arduino Mega

該模塊由Arduino供電。HC-05的TX引腳直接連接到Arduino上的RX1引腳。但是，因為HC-05的邏輯電平為3.3V，而Arduino在5V下運(yùn)行，所以HC-05的RX引腳上必須有一個簡易分壓器來降低電壓。R1的值應(yīng)為1 kΩ，R2的值可以為1.8 kΩ或2.2 kΩ。我使用2.2 kΩ的電阻，因為找不到阻值為1.8 kΩ的電阻，但是對于該模塊，使用兩種電阻的任何一個都可以正常工作。

目前，Arduino還不知道它正在通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。從Arduino的角度來說，這跟通過電纜連接完全相同。這就是為什么我們不需要在Arduino上進(jìn)行任何設(shè)置，因為該模塊自行處理所有事情—至少在最常見的情形下是這樣。

下一步是設(shè)置HC-05藍(lán)牙模塊。我使用的PC沒有內(nèi)置的藍(lán)牙接口，因此必須使用USB藍(lán)牙適配器。

對于Windows 10，請參考以前的教程，該教程提供了有關(guān)將HC-05連接的PC的分步指南：制作自己的Arduino RFID門鎖—第二部分; 步驟1：連接藍(lán)牙。

首先，我們必須將PC與藍(lán)牙模塊配對。

? 將適配器連接到PC，并在完成驅(qū)動程序的安裝后，在“控制面板”中找到“設(shè)備和打印機(jī)”窗口。然后，打開已經(jīng)連接了HC-05的Arduino。HC-05上的紅色LED燈將開始迅速閃爍。這意味著HC-05當(dāng)前沒有連接到任何其他設(shè)備上。

? 在“設(shè)備和打印機(jī)”中，單擊“添加設(shè)備”，您的計算機(jī)會自動找到HC-05，單擊該圖標(biāo)，當(dāng)彈出“選擇配對設(shè)備”窗口時，選擇中間的選項（“輸入設(shè)備的配對代碼”）。HC-05的默認(rèn)配對代碼為1234。這并不是很安全，我們可以隨時更改此代碼。不過，控制六腳機(jī)器人又需要多少安全性呢？

? 成功添加設(shè)備后，HC-05上的LED燈現(xiàn)在應(yīng)該每兩秒鐘閃爍一次—這表示它已經(jīng)連接到另一臺設(shè)備。

此時，最好驗證一下所有連接是否正確。啟動Arduino IDE并上傳以下草圖：

void setup() {

 Serial1.begin(9600);

 while(!Serial1);

 Serial1.println("Hello world!");

}



String input;

void loop() {

 if(Serial1.available() > 0) {

   input = Serial1.readString();

   Serial1.println(input);

 }

}

上傳完成后，返回“設(shè)備和打印機(jī)”窗口，找到我們之前與PC配對的HC-05模塊。右鍵單擊HC-05圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊“硬件”選項。在這里，您會找到Windows分配給該模塊的COM端口編號。這將是我們用于與ArduPod通信的COM端口。返回Arduino IDE，在菜單>工具>端口中選擇正確的COM端口，然后啟動串行監(jiān)視器。輸入幾個字符，然后按下Enter鍵。這些字符將被發(fā)送到您剛剛指定的COM端口，并出現(xiàn)Arduino的響應(yīng)。

到目前為止一切正常嗎？很好！現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了“困難”的部分，讓我們進(jìn)行一些有趣的部分：在Processing中編寫圖形應(yīng)用程序。

Processing

我假設(shè)正在閱讀本文的您已經(jīng)對Processing的語言有基本的了解。雖然Processing的語言與Arduino語言非常相似 – setup、loop/draw這些主函數(shù)都相同—但是它們還是不同的。Arduino語言幾乎與C++相同，而Processing是基于Java語言。因此，雖然語法相似，兩者之間還是存在重大差異。下面，我會盡我所能地把我所創(chuàng)建的應(yīng)用程序描述出來。

顯然，我們希望該應(yīng)用程序具有良好的圖形用戶界面（GUI）。Processing非常著重于繪圖形狀（因此主循環(huán)函數(shù)名稱為 – draw），所以對于圖形設(shè)計人員而言使用Processing很便捷。但是，我?guī)缀醪痪哂性擃I(lǐng)域的任何技能，因此我將通過使用庫來幫助我創(chuàng)建外觀精美的GUI。

Processing有幾種庫，可以提供不同的設(shè)計方案，但是我個人最喜歡的是controlP5庫。您可以點(diǎn)擊此處訪問該網(wǎng)站，以詳細(xì)了解該庫的更多信息。另外，該庫中幾乎包含了所有示例。您可以在網(wǎng)站上找到另一個有用的東西是完整版JavaDoc參考。網(wǎng)站上的下載版本已經(jīng)有些過時，因此強(qiáng)烈建議您使用Processing的庫管理器。在編寫程序時我們將使用最新版的Processing，即Processing 3.2.3。該應(yīng)用程序以及源代碼可在我的GitHub上找到。

現(xiàn)在，讓我們來看一下應(yīng)用程序的實際外觀。

圖6：ArdupodRemote Processing 應(yīng)用程序

好吧，控件有點(diǎn)多是不是？左側(cè)有一個大的灰色神秘盒子，有很多可以按下的按鈕，而右側(cè)則有點(diǎn)奇怪，看起來像是雷達(dá)。如您所見，我用紅色數(shù)字標(biāo)記了所有部件，這是每個控件的作用：

1.串行輸出： 這是提供運(yùn)行狀況信息的主要來源。串行端口上顯示的所有內(nèi)容都會被寫入這里，同時還有來自應(yīng)用程序本身的通知。

2.串行輸入和命令提示符：如果要直接向串行端口發(fā)送內(nèi)容，可以在此處輸入并按下Enter鍵發(fā)送。這主要在調(diào)試應(yīng)用程序的時候用的，但是會保留在界面上，以防什么時候您極其需要直接向機(jī)器人發(fā)送某些內(nèi)容。

3.超聲波掃描儀：就我個人來說，這是所有功能中最酷的一個。當(dāng)您按下“掃描”按鈕（數(shù)字7）時，超聲波傳感器將旋轉(zhuǎn)180度并在每個角度進(jìn)行距離測量。距離數(shù)據(jù)被發(fā)送到應(yīng)用程序，然后被可視化。

圖7：掃描輸出示例。掃描區(qū)域為狹窄的走廊。

即使沒有相機(jī)，您也可以通過該功能快速簡便地了解周圍環(huán)境。

4.手動旋轉(zhuǎn)傳感器：不言自明，通過該滑塊可以將帶有超聲波傳感器的伺服設(shè)置到特定位置。

5.距離輸出：每次進(jìn)行距離測量，測量結(jié)果都會在此處顯示。

6.測量按鈕：按下該按鈕時，傳感器將進(jìn)行一次距離測量并將其顯示在距離輸出區(qū)域中。

7.掃描按鈕：如上所述，按下該按鈕將開始對周圍區(qū)域進(jìn)行超聲波掃描。

8.COM端口選擇：啟動應(yīng)用程序后，您必須選擇適當(dāng)?shù)腃OM端口以用于所有的通信。所有可用的COM端口將在此處顯示。

9.連接按鈕：選擇正確的COM端口后，按此按鈕進(jìn)行連接 。如果運(yùn)行出現(xiàn)問題，相關(guān)的錯誤將會被打印到串行輸出區(qū)域，以幫助您進(jìn)行修復(fù)。

10.斷開連接按鈕：當(dāng)您出于任何原因需要從端口斷開連接時，就可以按下此按鈕。

11.移動控制：這是構(gòu)建該應(yīng)用程序的目的所在。W鍵向前移動，S鍵向后移動，A和D鍵控制左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。就是這么簡單！可以單擊這些按鈕，或者按下相應(yīng)鍵盤。單擊后，機(jī)器人將朝向?qū)?yīng)的方向邁出一步。按住鍵盤鍵時，機(jī)器人將持續(xù)朝該方向移動，直到您松開當(dāng)前按鈕或按下一個新按鈕。

您可能已經(jīng)想到了，這個應(yīng)用程序比我們實際所需要的復(fù)雜得多，實在無法逐條解釋所有的內(nèi)容。因此，我們將僅了解代碼中最重要的以下部分：控制事件處理，串行通信和Arduino端。

控制事件處理

使用GUI編寫應(yīng)用程序時，我們需要了解的第一件事是：“單擊按鈕后會發(fā)生什么？”幸運(yùn)的是，controlP5庫為我們處理了大多數(shù)事宜。讓我們從以下代碼中看一個簡單場景。

import controlP5.*;



ControlP5 cp5;

void setup() {

 size(400,400);

 cp5 = new ControlP5(this);

 

 cp5.addButton("click me!")

    .setValue(0)

    .setColorForeground(color(215, 0, 0))

    .setColorBackground(color(175, 0, 0))

    .setColorActive(color(255, 0, 0))

    .setPosition(100,100)

    .setSize(200,200)

    ;

}



public void controlEvent(ControlEvent theEvent) {

 if(theEvent.getController().getName().equals("click me!")) {

   println("Why would you trust a big red button?!");

 }

}



void draw() {}

圖8：controlP5示例

首先，我們必須導(dǎo)入庫并創(chuàng)建controlP5類的實例。然后，在setup函數(shù)中，我們創(chuàng)建一個名為“click me！”的新按鈕。最后一部分是 controlEvent函數(shù)。每當(dāng)任何 controlP5的元素創(chuàng)建事件時（在我們的示例中，是每次單擊按鈕時），都會調(diào)用該函數(shù)。然后，我們可以檢查是哪個元素導(dǎo)致了該事件的發(fā)生，如果是出于“click me!”按鈕，那么將會打印出一些文本。controlP5庫包含了有關(guān)解釋如何使用其所提供的控制元素的示例，所以我們將會來簡單了解一下遠(yuǎn)程控制應(yīng)用程序中實際所包含的內(nèi)容。

基本事件處理與上面的示例完全相同，都是通過controlEvent函數(shù)進(jìn)行處理。除此之外，還增加了兩個函數(shù) – keyPressed 以及 keyReleased，用于處理鍵W、A、S和D的輸入，以允許使用鍵盤進(jìn)行移動控制。您可能會注意到，與示例不同，在setup函數(shù)中并沒有設(shè)置任何的控制元素。所有的元素設(shè)置都被移到了第二個選項卡guiElements中，并通過setupGui函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。因此，在主選項卡ardupodRemote中的代碼很少。通常，對不同的內(nèi)容設(shè)計分隔的代碼塊是一種很好的編程習(xí)慣，因為這樣更易于閱讀和理解代碼。

現(xiàn)在，我們對圖形和控件的工作原理有了基本的了解，可以嘗試解義那些將要通過端口傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)了。

串行通信和狀態(tài)碼

我們已經(jīng)在兩端都設(shè)置了藍(lán)牙連接，但是還需要創(chuàng)建雙方都遵循的某種盡可能簡明快捷的“協(xié)議”。由于所有從串行端口傳入的數(shù)據(jù)在兩端都會被釋義為字符串?dāng)?shù)據(jù)類型，因此我創(chuàng)建了一個非常簡單的“數(shù)據(jù)包”結(jié)構(gòu)?！拜斎搿睌?shù)據(jù)包（Arduino發(fā)送給PC的數(shù)據(jù)包）的結(jié)構(gòu)如下所示：

XYpayload

前兩個字符X 和 Y是該數(shù)據(jù)包的狀態(tài)碼，作用是讓應(yīng)用程序知道有效負(fù)載中所包含信息的種類。例如，如果應(yīng)用程序接收到數(shù)據(jù)包“82Starting PWM … ”，它將在串行輸出框中寫入以下內(nèi)容：“[INFO] [SETUP] Starting PWM … ”。下表列出了當(dāng)前已經(jīng)實現(xiàn)的代碼：

請注意，在該應(yīng)用程序中，代碼40用于掃描數(shù)據(jù)，代碼41用于單次的距離測量。

“輸出”數(shù)據(jù)包（應(yīng)用程序發(fā)送到Arduino的數(shù)據(jù)包）的結(jié)構(gòu)更簡單一些：

Xpayload

像之前一樣，第一個字符X將用于確定如何處理有效負(fù)載。但是，這次我們只使用了少數(shù)的指令。

Arduino 端

到目前為止，我們已經(jīng)成功將藍(lán)牙連接到Arduino端和PC端，還編寫了一個很酷的GUI的應(yīng)用程序，并創(chuàng)建了一個與Arduino通信的協(xié)議，但是仍然缺少一些東西：可能在我們發(fā)送數(shù)據(jù)的時候Arduino沒有響應(yīng)。我們需要Arduino運(yùn)行一個程序來定期檢查串行端口，以在出現(xiàn)可用數(shù)據(jù)時進(jìn)行處理。讓我們來看一下之前用于驗證藍(lán)牙連接的代碼草圖：

void setup() {

 Serial1.begin(9600);

 while(!Serial1);

 Serial1.println("01Hello sir!");

}



String input;

void loop() {

 if(Serial1.available() > 0) {

   input = Serial1.readString();

   switch(input.charAt(0)) {

     case ‘n’:

       //ultrasonic scan

     case ‘m’:

       //measure distance

     //and so on...

   }

 }

}

一旦將數(shù)據(jù)設(shè)置為input中的變量，我們就可以使用它來進(jìn)行所有操作了。例如，如果要查看剛剛到達(dá)的指令類型，我們可以使用input.charAt(0)。此內(nèi)置函數(shù)將返回字符串輸入的第一個字符，該字符將與上表中的指令之一相對應(yīng)。

請注意，通常，每次要將新的草圖上傳到Arduino時，都必須斷開HC-05模塊的連接，但是由于我們使用的是Arduino Mega，就有了四個單獨(dú)的硬件串行端口！因此，我們只需要將藍(lán)牙連接到剩余的端口之一就可以同時進(jìn)行這些操作了。

需要記住的另外一件事是，與使用USB的連接不同，通過藍(lán)牙將Arduino連接到PC不會經(jīng)常重置Arduino。為了正確啟動，您必須手動按下Arduino的重置按鈕！

結(jié)論

六足機(jī)器人是一個相當(dāng)復(fù)雜的項目。與往常一樣，該項目還有很大的提升空間。目前，唯一板載的傳感器是超聲波測距儀，但是由于我們使用的Arduino Mega還有很多閑置處理能力，我們可以添加其他傳感器以獲取更高級的功能。

對，您已經(jīng)通過ArduPod的上一篇教程實現(xiàn)了！本教程分為三部分來盡可能全面地講述所有內(nèi)容。如果您有任何疑問或者改進(jìn)的建議，請隨時在我的GitHub上與我分享您的想法。您可以前往“Issues”區(qū)域創(chuàng)建一個新的問題。如果您已經(jīng)進(jìn)入到我的頁面中并且喜歡該項目，可以留下一顆星。當(dāng)然，如果您打算構(gòu)建自己的ArduPod，請一定要與世界分享您的創(chuàng)造！

Jan Gromes

Jan目前就讀于布爾諾理工大學(xué)電氣工程專業(yè)，擁有多年Arduino和其他微控制器專業(yè)經(jīng)驗，尤其對機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計感興趣。

審核編輯黃宇