實(shí)驗機(jī)器人”小強(qiáng)“制作過程

1、從對機(jī)器人感興趣開始，買了一堆書，也看了很多資料，決定先從最簡單的車輪機(jī)器人開始做。普通電腦雖然強(qiáng)大，但是不能直接采集外界環(huán)境的物理數(shù)據(jù)，也不能直接控制電機(jī)。查找了下，雖然可以直接在電腦上接USB接口的數(shù)據(jù)采集器用于采集傳感器的數(shù)據(jù)，也可以使用PCI的電機(jī)控制卡來驅(qū)動各種電機(jī)，不過成本有些高，暫時不考慮了。找了一圈，發(fā)現(xiàn)還是單片機(jī)方案廉價，順便可以學(xué)習(xí)下單片機(jī)控制和作一些電路實(shí)驗。于是最終決定實(shí)驗方案采用單片機(jī)來做了。零件下面是采購的零件：8位單片機(jī)Atmega168開發(fā)板(Arduino)。電路面包板和連線用于驅(qū)動車輪的兩個減速電機(jī)。沒有找到合適的齒輪，自己也沒有加工設(shè)備，圖簡單，所以直接用

2、集成減速齒輪的電機(jī)代替了。距離傳感器，作為機(jī)器人的主要傳感器，用來探測障礙物的距離。使用的是常用的紅外距離傳感器作為機(jī)器人的眼睛。舵機(jī)，用來控制機(jī)器人“眼睛”的方向。一堆零件：實(shí)驗接下來先搞清楚怎么用單片機(jī)。Hello world先讓單片機(jī)跑起來再說。習(xí)慣了操作系統(tǒng)下編程，第一次用單片機(jī)還真有些不習(xí)慣，擔(dān)心遇到問題，不過比較順利。這個程序用來點(diǎn)亮單片機(jī)上的一個LED。代碼：int ledPin = 13; / LED connected to digital pin 13void setup() pinMode(ledPin, OUTPUT); / sets the digital pin a

3、s outputvoid loop() digitalWrite(ledPin, HIGH); / sets the LED on delay(1000); / waits for a second digitalWrite(ledPin, LOW); / sets the LED off delay(1000); / waits for a second以間隔1000ms的時間把單片機(jī)的第13 個Pin腳循環(huán)輸出高低電平，從而達(dá)到點(diǎn)亮和熄滅LED功能。很簡單，就是驗證下單片機(jī)是否可用。 控制舵機(jī)舵機(jī)就是遙控模型上用來控制的，其實(shí)就是一個帶閉環(huán)控制的電機(jī)，能轉(zhuǎn)動到指定的角度。>工作原理是

4、：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲 得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動 電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。在程序中控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，就是生成不同脈寬的PWM就行了。上面的代碼簡單的生成一個PWM 驅(qū)動舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，比較簡單。 代碼中用delay來實(shí)現(xiàn)延時，如果是同時控制多個舵機(jī)，用這樣的代碼是不行的，需要自己計算時間。因為用delay整個單片機(jī)都“休息”了，無法執(zhí)行任何代碼。在實(shí)際

5、實(shí)現(xiàn)中，還需要不斷的讀取傳感器輸入和進(jìn)行其他處理。紅外距離傳感器傳感器介紹：SHARP紅外距離傳感器，用于模型或機(jī)器人制作，可以用來測量距離。每個模塊贈送一根15cm長PH2.0的單頭排線.技術(shù)規(guī)格：探測距離：10-80cm工作電壓：4-5.5V標(biāo)準(zhǔn)電流消耗：33-50 mA輸出量：模擬量輸出，輸出電壓和探測距離成比例接好電源，把模擬信號輸出端接在單片機(jī)的模擬輸入Pin就行了。測試代碼：int potPin = 2; int ledPin = 13; int val = 0; void setup() pinMode(ledPin, OUTPUT); void loop() val = ana

6、logRead(potPin); digitalWrite(ledPin, HIGH); delay(val); digitalWrite(ledPin, LOW); delay(val); 運(yùn)行結(jié)果，led隨著傳感器距離的變化閃爍間隔也隨著變化。控制電機(jī)常用的直流電機(jī)使用L293D來控制，使用H293的電路如下：不過在驗證是發(fā)現(xiàn)，對于小電機(jī)，直接用單片機(jī)的PWM端子來輸出不同電壓的來控制速度也是可行的，雖然不太精確，但是對于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動特征是足夠了。單片機(jī)無法輸出真正的線性模擬電壓，PWM是通過調(diào)整空占比間隔來模擬不同電壓值的。測量了電機(jī)在空載和負(fù)載情況下電流都只有幾十毫安，所以先采取這種簡單的

7、辦法驗證。直接把電機(jī)接到單片機(jī)的Gnd和 PWM Pin 9接口，然后在程序中直接向 Pin 9輸出就可以讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了。int value = 0; int ledpin = 9; void setup() / nothing for setup void loop() for(value = 0 ; value <= 255; value+=5) analogWrite(ledpin, value); delay(30); for(value = 255; value >=0; value-=5) analogWrite(ledpin, value); delay(30); 上面

8、的程序用不同的輸出值驅(qū)動電機(jī)，可以看到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)效果。單片機(jī)和主要部件的驗證基本就完成了，下一步要開始程序設(shè)計了。軟件設(shè)計思路: 在進(jìn)行代碼編寫之前，想找到一種簡介的實(shí)現(xiàn)低級智能機(jī)器人的方式。目前的工業(yè)機(jī)器人采用的是精確控制的方法，在程序中固化每種處理邏輯。用程序員的思維來完成對機(jī)器人的操作。對于程序員來說，機(jī)器人無非就是外接了物理傳感輸入和運(yùn)動控制輸出的一臺電腦，不管是64位多核CPU或者8位單片機(jī)，只是性能的不同而已。理論上，都能通過程序設(shè)計來達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。如果按照計算機(jī)上的普通程序來設(shè)計，那么大量的功能代碼會相互耦合，每次為了增加一個新的運(yùn)動功能或者任務(wù)，都需要編制新的代碼，而新的代碼

9、給原來的環(huán)路反饋系統(tǒng)帶來新的邏輯分支，所有的步驟都得經(jīng)過程序員的驗證和設(shè)計。這樣的設(shè)計對于精確計算的PC程序或者擅長固定場景精確動作的工業(yè)機(jī)器人來說，都沒有問題。但是對于這里要實(shí)現(xiàn)的“小強(qiáng)一號”機(jī)器人，是處在一個動態(tài)的變化環(huán)境當(dāng)中，如果按照傳統(tǒng)的軟件設(shè)計邏輯，會存在大量耦合的邏輯分支，導(dǎo)致程序擴(kuò)展性很差。舉例來說，為了完成一個沿墻壁行走的功能，必須對各種傳感器輸入情況進(jìn)行判斷，然后做出預(yù)置的動作序列。如果要執(zhí)行的動作和需要判斷的情況很多，那么程序邏輯分支就比較復(fù)雜，擴(kuò)展性也比較差，有沒有更好的適合機(jī)器人軟件設(shè)計的方法呢？換一種思維來思考的話，我們要做的不是電腦程序，只是一個實(shí)驗機(jī)器人。這個實(shí)驗

10、機(jī)器人能做到自然界昆蟲級的“智能”就很不錯了。 試想，一只螞蟻，一只蟑螂會去思考這么復(fù)雜的邏輯分支嗎？去考慮各種情況下應(yīng)該采取的動作? 不太可能。我們用了復(fù)雜的想法去解決簡單的事情。機(jī)器人和計算機(jī)的主要區(qū)別在于，計算機(jī)是按照預(yù)先規(guī)劃的指令運(yùn)行，而機(jī)器人需要根據(jù)變化的環(huán)境選擇合適動作。我們首先可以簡化動作模型，我把機(jī)器人的執(zhí)行任務(wù)分成3個層次：任務(wù)-行為-動作任務(wù)機(jī)器人完成的一個期望目標(biāo)，比如“在一個范圍內(nèi)收集地面上的垃圾”可以界定為一個機(jī)器人的任務(wù)。行為行為是對任務(wù)的分解，行為是機(jī)器人根據(jù)環(huán)境變化選擇要做什么。比如碰到墻壁需要進(jìn)行躲避。電源不足需要充電，就可以劃分為一個行為。動作機(jī)器人最終控制

11、電機(jī)等輸出設(shè)備做出的動作，比如前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)動攝像頭都可以劃分成一個動作單元。說明：任務(wù)由一系列的行為構(gòu)成；行為有一個或者多個動作組成，動作是立即執(zhí)行的最小單元。在任意一個時刻，只有一個動作可以得到執(zhí)行。軟件實(shí)現(xiàn)的對象就是分解出簡單的行為，針對每個行為單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，互相之間無干涉、無耦合。當(dāng)多個行為要輸出互相矛盾的動作時，通過一個行為優(yōu)先級表來決定優(yōu)先級高的行為來做出動作。在這個思路中，參考了基于行為編程的理論，關(guān)于詳細(xì)的基于行為編程的描述，可以在網(wǎng)上搜索“Behavior-based robotics”。通過這種設(shè)計思路，可以實(shí)現(xiàn)對動物反射特性的模擬，不需要把精力放在復(fù)雜的邏輯處理上，只需

12、要根據(jù)分解出的基本行為實(shí)現(xiàn)一個一個小的行為單元。每個行為單元只關(guān)心自己的傳感輸入和需要輸出的控制動作就行了。確定了設(shè)計思路，下一部分開始針對小強(qiáng)一號來設(shè)計軟件了。參考資料，有興趣的可以閱讀：···· 基于行為的機(jī)器人實(shí)戰(zhàn)指南 中譯版 小強(qiáng)一號結(jié)構(gòu)非常簡單，傳感器只采用了個紅外距離傳感器作為機(jī)器人的“眼睛”，使用兩個電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動，距離傳感器連接在一個舵機(jī)上，作為“頭部”可以左右范圍的轉(zhuǎn)動。機(jī)器人的行為最簡單的就是巡航行為，巡航行為就是給電機(jī)電流，電機(jī)轉(zhuǎn)動而已。那么發(fā)生碰撞怎么辦？在巡航行為中，不用考慮碰撞，否則又會變成復(fù)雜的判斷邏輯。為了避免碰撞，設(shè)計一個

13、獨(dú)立的避免碰撞的“逃離”行為。逃離行為從距離傳感器獲取障礙物距離信息，簡單的判斷前方是否有障礙，進(jìn)行避讓。由于多個行為都可能控制電機(jī)，所以需要一個仲裁器根據(jù)優(yōu)先級來判斷到底執(zhí)行那個邏輯部分輸出的控制指令。下面用圖來說明這種情況：如果需要增加其他更加復(fù)雜的智能，那么只需要增加對應(yīng)的行為單元就行了，不用修改已有的邏輯結(jié)構(gòu)。每個行為單元只需要處理自己關(guān)心的傳感器和需要控制的動作執(zhí)行部分。這種方式的好處就是程序邏輯變得非常簡單，功能單元之間不會存在互相影響的弊端。 下面的代碼是“巡航”行為：class BhCruis:public Behavior public: BhCruis(const char

14、* name):Behavior(name) ; BhCruis(); void Run(); void Setup(); ;  void BhCruis:Setup() void BhCruis:Run() int bid = GetId(); GO_speed_leftbid = 255; GO_speed_rightbid = 255; GT_beh_actionACTION_TYPE_MOTORbid = true; 上面的代碼很簡單，就是讓兩個電機(jī)以同樣的速度暈裝，其他都不用考慮。對于某些行為，需要引入稍微復(fù)雜一些的處理，比如發(fā)現(xiàn)障礙物，首先要停下來，然后判斷是應(yīng)該往左還是

15、往右，做出決定之后，再進(jìn)行具體的動作。針對這種不能在一個時刻完成，要經(jīng)過幾個不同的狀態(tài)才能處理完成的行為，可以用狀態(tài)機(jī)來解決。下圖是“逃離”行為的狀態(tài)機(jī)：對于行為實(shí)現(xiàn)自己的狀態(tài)機(jī)，在行為實(shí)現(xiàn)的代碼內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，而不影響其他行為。這種結(jié)構(gòu)可以讓每個行為子關(guān)心自己的實(shí)現(xiàn)方式，從而最大的降低軟件復(fù)雜度，方便功能添加和修改。逃離行為狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)原型代碼： void BhEscape:Run() int bid = GetId(); / 狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn) switch(state) case 0: / 前方距離過小 if(GI_distanceDISTANCE_FORWORD < 30) GO_speed_l

16、eftbid = 0; GO_speed_rightbid = 0; GT_beh_actionACTION_TYPE_MOTORbid = true; timestart = millis(); state+; / 狀態(tài)變化 else GT_beh_actionACTION_TYPE_MOTORbid = false; break; case 1: / 觀察左右距離 if(millis() - timestart > 1000) GO_eyeAnglebid = 0; GT_beh_actionACTION_TYPE_HEADbid = true; timestart = millis

17、(); state+; case 2: / 觀察左右距離 if(millis() - timestart > 1000) GO_eyeAnglebid = 180; GT_beh_actionACTION_TYPE_HEADbid = true; timestart = millis(); state+; case 3: / 決定往哪邊轉(zhuǎn)彎 if(millis() - timestart > 1000) GO_eyeAnglebid = Angle_Center_90; GT_beh_actionACTION_TYPE_HEADbid = true; if(GI_distanceDISTANCE_LEFT_1 > GI_distanceDISTANCE_RIGHT_1) / 左轉(zhuǎn) GO_speed_leftbid = 0; GO_speed_rightbid = 255; else /右轉(zhuǎn) GO_speed_leftbid = 255; GO_speed_rightbid = 0; GT_beh_actionACTION_TYP