利用Parallax雷射感測器製作Arduino雷射機器人—第2部分
在第1部分中，我們製作了一塊客製化的壓克力板底座，把NEMA 17步進馬達安裝到了底盤上。然後，我們將Arduino Uno 3和馬達研發板也連到壓克力底座上，並安裝了馬達研發板程式館。在第2部分中，我們將添加機器人工作所需的其他系統零件，比如伺服器和雷射測距儀（LRF），並編寫一個程式，讓機器人能夠自主行動。
有關如何利用Arduino UNO R3從零開始搭建輪式機器人的資訊，請參考我們在之前的文章《如何製作自己的機器人》和《如何製作自己的機器人（第2部分）》。在本文中，我們將進一步增加機器人的功能：讓該機器人動起來並為其增加雷射測距（LRF）功能，以使該裝置能夠檢測物體並測量距離。
該機器人的設計目標如下：
- 向前、向後行動；向左和向右旋轉90度；向左和向右旋轉45度。
- 避開障礙物時根據最佳可用路徑朝不同的方向行動。
- 測量各個方向（前方、左右90度、左右45度）的距離。
- 根據可用的最長距離，確定朝哪個方向前進（向前、向後、向左或向右）。
硬體
製作此機器人所需的硬體請參見以下硬體明細，這些零零件在許多電商網站都可以買到（明細中給出了部分位址）。
- Arduino Uno rev 3 (www.adafruit.com/products/50)
- 適用於Arduino的Adafruit步進馬達研發套件 (www.adafruit.com/products/1438)
- 步進馬達 (www.adafruit.com/products/324)
- 底盤、螺絲和尾輪 Parallax.com
- 車輪、 橡膠輪胎和輪轂 Makeblock.com
- 伺服裝置和安裝套件 (www.parallax.com/product/570-28015)
- Parallax 雷射測距儀 (www.parallax.com/product/28044)
- OLED 顯示幕 (www.seeedstudio.com/Grove-OLED-Display-1.12”-p-824.html)
- 紅色封裝紙/盒 (http://www.seeedstudio.com/Grove-Red-Wrapper-1*2(4-PCS-pack)-p-2585.html)
- 鋰聚合物電池3型（11.1V）和連接器 (http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__18203)
- 195 x 195 x 3mm壓克力板 (http://www.jaycar.com.au/clear-acrylic-sheet/p/HM9509)
軟體
- Arduino IDE
- Adafruit Motor Shield Library
- LCD Display9696 Library.zip
工具
- 圓銼
- Dremel 電動工具
- 電烙鐵
- 迷你鋼鋸
安裝並測試伺服器
下一步是安裝用於平移的伺服器。首先，請用螺釘將兩塊小板擰到伺服基座上，然後用螺釘將其固定到壓克力底座上，如圖1和圖2所示。請用2個螺釘將鋁制安裝架安裝到伺服器的頂部。
圖1. 用兩小板將伺服器固定到壓克力底座上
圖2. 將鋁制安裝架安裝到伺服器上
如圖3所示，將伺服器的連接器連至馬達研發板。馬達研發板上有2個伺服器連接器，分別標記為“servo1”和“servo2”。本次連接請使用servo1連接器（外側的那個）。請注意，切勿接反。
圖3. 伺服與馬達研發板的連接
現在，我們可以運行程式了，請將以下代碼上傳到Arduino。無需安裝新程式館，系統所需的程式館（Servo.h）都已包含在Arduino IDE程式中。伺服器應使用Digital引腳10（servo 1），或者如果伺服器連接到馬達研發板的servo 2，那麼應使用引腳11。
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//*********************************************************************************************** #include <Servo.h> Servo panMotor; // servo for laser range finder (lrf) scanning int pos = 0; // variable to store the servo position const int a = 1000; void setup() { panMotor.attach(10); } // Attach Servo for scanning to pin 10 void loop() { // *************************** Scan Left *********************************** panMotor.write(180); // 90 degree delay(a); panMotor.write(135); // 45 degree delay(a); // ************************** Scan Right ********************************** panMotor.write(45); // 45 degree delay(a); panMotor.write(0); // 90 degree delay(a); // ************************* Neutral position ***************************** panMotor.write(90); delay(a); } //************************************************************************************************** |
代碼很簡單，它負責讓機器人從左向右進行掃描並返回原始位置。
伺服器的工作原理請參見以下視訊：
安裝雷射測距儀 (LRF)
雷射測距儀產品文件 – Parallax
Parallax雷射測距儀（LRF）模組是一款利用雷射技術計算儀器到目標物體的距離的測量儀器。該裝置根據光學三角測量法（雷射、相機和物體質心之間的簡單三角函數）來計算儀器到目標物體的距離。其最佳測量範圍為6–48英寸（15–122公分），測量精度誤差<5％（平均3％）。
硬體安裝很簡單。只需在壓克力板上鑽兩個與LRF位置相匹配的孔，然後用塑膠墊片和螺釘將LRF固定到鋁底盤上即可（請參見圖5）。
圖4. 將LRF電纜連至馬達研發板
圖5. 安裝在鋁制安裝架上的LRF
由於LRF的最佳測量值上限為122公分，我們需要將鋁制安裝架稍微向前彎曲，以使該範圍始終小於120公分（圖6）。
圖6. 向前彎曲鋁制安裝架，使雷射到地的距離小於120公分
請完全按照圖7將電纜連接器連至LRF。GND接地，VCC接5V，SOUT接引腳8，SIN接引腳9。
圖7. LRF與馬達研發板的連接
我們已經完成了LRF的安裝和連接，現在就來上傳代碼吧！同樣，無需安裝程式館。我們要用的SoftwareSerial.h已經包含在Arduino IDE中。
下面的代碼源自範例代碼，我們只是進行了一些修改，將距離資料從字串轉換為整數。其作用是測量感測器到前方物體的距離並列印結果。我們用序列監視器顯示結果。
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// ************************************************************************************************************************************************** #include <SoftwareSerial.h> #define rxPin 8 // Serial input (connects to the LRF's SOUT pin) #define txPin 9 // Serial output (connects to the LRF's SIN pin) #define ledPin 13 // Most Arduino boards have an on-board LED on this pin #define BUFSIZE 16 // Size of buffer int lrfDataInt; SoftwareSerial lrfSerial = SoftwareSerial(rxPin, txPin); void setup() // Set up code called once on start-up { // *************************************** setup for LRF *********************************************** pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(rxPin, INPUT); pinMode(txPin, OUTPUT); digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED off Serial.begin(9600); while (!Serial); // Wait until ready Serial.println("\n\nParallax Laser Range Finder"); lrfSerial.begin(9600); Serial.print("Waiting for the LRF..."); delay(2000); // Delay to let LRF module start up lrfSerial.print('U'); // Send character while (lrfSerial.read() != ':'); delay(10); // Short delay lrfSerial.flush(); // Flush the receive buffer Serial.println("Ready!"); Serial.flush(); // Wait for all bytes to be transmitted to the Serial Monitor } // ****************************************** main loop ************************************************ void loop() // Main code, to run repeatedly { lrf(); } // ****************************************** end main loop ********************************************* void lrf() { lrfSerial.print('R'); // Send command digitalWrite(ledPin, HIGH); // Turn LED on while LRF is taking a measurement char lrfData[BUFSIZE]; // Buffer for incoming data int lrfDataInt1; int lrfDataInt2; int lrfDataInt3; int lrfDataInt4; int offset = 0; // Offset into buffer lrfData[0] = 0; // Clear the buffer while(1) { if (lrfSerial.available() > 0) // If there are any bytes available to read, then the LRF must have responded { lrfData[offset] = lrfSerial.read(); // Get the byte and store it in our buffer if (lrfData[offset] == ':') // If a ":" character is received, all data has been sent and the LRF is ready to accept the next command { lrfData[offset] = 0; // Null terminate the string of bytes we just received break; } // Break out of the loop offset++; // Increment offset into array if (offset >= BUFSIZE) offset = 0; // If the incoming data string is longer than our buffer, wrap around to avoid going out-of-bounds } } lrfDataInt1 = ( lrfData[5] -'0'); lrfDataInt2 = ( lrfData[6] -'0'); lrfDataInt3 = ( lrfData[7] -'0'); lrfDataInt4 = ( lrfData[8] -'0'); lrfDataInt = (1000*lrfDataInt1)+ (100*lrfDataInt2)+(10*lrfDataInt3) + lrfDataInt4; Serial.print("Distance = "); // The lrfData string should now contain the data returned by the LRF, so display it on the Serial Monitor Serial.println(lrfDataInt); Serial.flush(); // Wait for all bytes to be transmitted to the Serial Monitor digitalWrite(ledPin, LOW); // Turn LED off delay(1000); } //************************************************************************************************************************************************* |
序列監視器顯示的結果如下所示。所有尺寸的單位均為毫米。
安裝OLED顯示幕
首先，我們將OLED塑膠盒安裝到壓克力底座中（請參見圖9），然後再將OLED顯示幕附帶的線纜一端連至顯示幕。要將顯示幕連至馬達研發板，請將線纜另外一端jst連接器上的線纜剪下，然後將紅導線焊至5V，將黑導線焊至Ground，將黃導線焊至SDA引腳，將綠導線焊至SCL引腳。請確保OLED顯示幕的背面朝外。
圖8 . OLED與馬達研發板之間的連接
將OLED固定在底座上並連接電纜後，我們就可以運行部分軟體了。
首先，請確保已經安裝了SeeedOLED.h 程式館。然後，將以下代碼上傳到Arduino。該代碼使用了名為oled1的函數，稍後的最終編碼也會使用該函數。其基本功能就是顯示100到109的數位。
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//***************************************************************************************************************************************** #include <Wire.h> #include <SeeedOLED.h> int distanceFwd; void setup() { Wire.begin();} void loop() { int i = 0; for (i; (i < 10); i ++) { distanceFwd = 100 + i; oled1(); delay(1000); } } void oled1() { SeeedOled.clearDisplay(); //clear the screen and set start position to top left corner SeeedOled.setNormalDisplay(); //Set display to Normal mode SeeedOled.setPageMode(); //Set addressing mode to Page Mode SeeedOled.setTextXY(3,3); SeeedOled.putString("Forward :"); SeeedOled.setTextXY(5,9); SeeedOled.putNumber(distanceFwd); } //***************************************************************************************************************************************** |
程式正常運行時，顯示幕應該會顯示以下視訊中的內容：
安裝最終代碼
現在，我們已經完成了所有硬體的安裝並測試了各個裝置。讓我們把所有軟硬體結合起來，構建一個可以自主行動的智慧雷射機器人吧。最終程式會執行以下功能：
- 測量前方距離：
- 如果距離超過70公分，機器人將向前行動500步（大約50公分）；
- 如果距離大於40公分小於70公分，機器人將向前行動200步（20公分）；
- 如果距離小於40公分，機器人會向左掃描90度，向左掃描45度，向右掃描45度，向右掃描90度；
- 測量每個方向的距離，然後計算哪個方向的測量距離最長；
- 轉向距離最長的那個方向；
- 返回第一步。
請複製以下代碼並將其上傳到Arduino：
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//********************************************************************************************************************* #include <Wire.h> #include <Adafruit_MotorShield.h> #include "utility/Adafruit_MS_PWMServoDriver.h" #include <SoftwareSerial.h> #include <Servo.h> #include <SeeedOLED.h> #define ledPin 13 #define BUFSIZE 16 #define rxPin 8 // Serial input (connects to the LRF's SOUT pin) #define txPin 9 // Serial output(connects to the LRF's SIN pin) SoftwareSerial lrfSerial = SoftwareSerial(rxPin, txPin); // Size of buffer (in bytes) for incoming data // Create the motor shield object with the default I2C address Adafruit_MotorShield AFMS = Adafruit_MotorShield(); // Connect a stepper motor with 200 steps per revolution (1.8 degree) Adafruit_StepperMotor *myMotor1 = AFMS.getStepper(200, 1); // motor port #1 (M1 and M2) Adafruit_StepperMotor *myMotor2 = AFMS.getStepper(200, 2); // motor port #2 (M3 and M4) Servo panMotor; // servo for laser range finder (lrf) scanning int leftDistance1; int leftDistance2; int rightDistance1; int rightDistance2; int maxDistance; int angleTurn; int directions; int distanceFwd; const int a = 30; //*********************************************************************************start set up ************************** void setup() { Serial.begin(9600); // set up Serial library at 9600 bps panMotor.attach(10); // Attach Servo for scanning to pin 10 AFMS.begin(); // create with the default frequency 1.6KHz myMotor1->setSpeed(100); // Set stepmotor1 speed at 100 rpm myMotor2->setSpeed(100); // Set stepmotor2 speed at 100 rpm pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(rxPin, INPUT); // Input pin for LRF pinMode(txPin, OUTPUT); // Output pin for LRF digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED off Serial.begin(9600); while (!Serial); // Wait until ready lrfSerial.begin(9600); Serial.print("Waiting for the LRF..."); delay(2000); // Delay to let LRF module start up lrfSerial.print('U'); // Send character while (lrfSerial.read() != ':'); delay(10); // Short delay lrfSerial.flush(); // Flush the receive buffer Serial.println("Ready!"); Serial.flush(); // Wait for all bytes to be transmitted to the Serial Monitor panMotor.write(90); delay(a); } //******************************************************************* start Loop ***************************************** void loop() { distanceFwd = lrf(); maxDistance = distanceFwd; oled1(); if (distanceFwd > 700) { Motor(500,1);} else if (distanceFwd > 400) { Motor(200,1);} else // if path is blocked { checkTurn(); turn();} } //***************************************************************** check turn function ******************************** void checkTurn() { digitalWrite(ledPin, HIGH); // ************************** Scan Left *********************************** panMotor.write(180); delay(a); leftDistance1 = lrf(); panMotor.write(135); delay(a); leftDistance2 = lrf(); oled(); // *************************** Scan Right ********************************* panMotor.write(45); delay(a); rightDistance2 = lrf(); panMotor.write(0); delay(a); rightDistance1 = lrf(); oled(); panMotor.write(90); digitalWrite(ledPin, LOW); // ************************************ Turn Left ************************ maxDistance = leftDistance1; angleTurn = 100; directions = 0; if (maxDistance <= leftDistance2) {angleTurn = 50; maxDistance = leftDistance2; directions = 0; } //*********************************** Turn Right *********************** if (maxDistance <= rightDistance2) {angleTurn = 50; maxDistance = rightDistance2; directions = 1; } if (maxDistance <= rightDistance1) {angleTurn = 100; maxDistance = rightDistance1; directions = 1; } // ******************************* Turn Back****************************** if ((leftDistance1 < 300) && (rightDistance1 <300) && (distanceFwd <300)) {angleTurn = 200; directions = 3; } } //************************************************ turn function ********************************************************* void turn() { rightDistance1 = 0; rightDistance2 = 0; leftDistance1 = 0; leftDistance2 = 0; if (directions == 0) // turn left { Motor(angleTurn,3);} if (directions == 1) // turn right { Motor(angleTurn,4);} if (directions == 3) // turn back { Motor(angleTurn,4);} } //*************************************** Stepper Motor function **************************************************** void Motor(int x,int y) { int i = 0; for ( i; (i < x); i ++) { if (y == 1) // move forward {myMotor1->step(1, FORWARD, SINGLE); myMotor2->step(1, BACKWARD, SINGLE);} if (y == 2) // move backward {myMotor1->step(1, BACKWARD, SINGLE); myMotor2->step(1, FORWARD, SINGLE);} if (y == 3) // move left { myMotor1->step(1, FORWARD, SINGLE); myMotor2->step(1, FORWARD, SINGLE);} if (y == 4) // move right { myMotor1->step(1, BACKWARD, SINGLE); myMotor2->step(1, BACKWARD, SINGLE);} } } //*********************************************************************** LRF function ******************************* long lrf() { lrfSerial.print('R'); // Send command digitalWrite(ledPin, HIGH); // Turn LED on while LRF is taking a measurement char lrfData[BUFSIZE]; // Buffer for incoming data int lrfDataInt1; int lrfDataInt2; int lrfDataInt3; int lrfDataInt4; int lrfDataInt; int offset = 0; // Offset into buffer lrfData[0] = 0; // Clear the buffer while(1) { if (lrfSerial.available() > 0) { lrfData[offset] = lrfSerial.read(); if (lrfData[offset] == ':') { lrfData[offset] = 0; break;} offset++; if (offset >= BUFSIZE) offset = 0; } } lrfDataInt1 = ( lrfData[5] -'0'); lrfDataInt2 = ( lrfData[6] -'0'); lrfDataInt3 = ( lrfData[7] -'0'); lrfDataInt4 = ( lrfData[8] -'0'); lrfDataInt = (1000*lrfDataInt1)+ (100*lrfDataInt2)+(10*lrfDataInt3) + lrfDataInt4; Serial.flush(); digitalWrite(ledPin, LOW); return lrfDataInt; } //********************************************************* Oled function ************************************************ void oled() { SeeedOled.clearDisplay(); //clear the screen and set start position to top left corner SeeedOled.setNormalDisplay(); //Set display to Normal mode SeeedOled.setPageMode(); //Set addressing mode to Page Mode SeeedOled.setTextXY(0,0); SeeedOled.putString("Left 1:"); SeeedOled.setTextXY(0,12); SeeedOled.putNumber(leftDistance1); SeeedOled.setTextXY(2,0); SeeedOled.putString("Left 2:"); SeeedOled.setTextXY(2,12); SeeedOled.putNumber(leftDistance2); SeeedOled.setTextXY(4,0); SeeedOled.putString("Right 1:"); SeeedOled.setTextXY(4,12); SeeedOled.putNumber(rightDistance1); SeeedOled.setTextXY(6,0); SeeedOled.putString("Right 2:"); SeeedOled.setTextXY(6,12); SeeedOled.putNumber(rightDistance2); } void oled1() { SeeedOled.clearDisplay(); //clear the screen and set start position to top left corner SeeedOled.setNormalDisplay(); //Set display to Normal mode SeeedOled.setPageMode(); //Set addressing mode to Page Mode SeeedOled.setTextXY(3,3); SeeedOled.putString("Forward :"); SeeedOled.setTextXY(5,9); SeeedOled.putNumber(distanceFwd); } //*********************************************************************************************************************************** |
圖9. OLED顯示幕安裝在壓克力底座上的最終效果
結論
在之前的文章《如何製作自己的機器人》和《如何製作自己的機器人（第2部分）》中，我們用步進馬達製作了一款簡單的輪式機器人。這次，我們對其進行了功能改進：為機器人增加了雷射測距儀（LRF）功能，並且安裝了輪子，讓機器人能夠自由行動。我一直想製作一款能夠進行測量的裝置。在本例中，憑藉雷射感測器，我們的機器人不僅能夠檢測並避開物體，同時還能獲取更準確的距離資料。雷射機器人還有許多其他應用場景。您也可以利用該雷射感測器設計自己喜歡的有趣項目。
接下來，我們會做一些更炫酷的事情，敬請期待！
Purnomo Nuhalim
來自墨爾本的Purnomo是一名退休人員，也是電子發燒友。目前，他正使用Arduino和Raspberry Pi從事各種開放式硬體專案的研發。除了電子學，他還對航空建模和天文學充滿熱情。
