通过上周介绍的小π机器人硬件电路部分和 3D 打印部分,你是否已经打造出一款属于自己的小π机器人呢?这周小编将要给大家介绍小π机器人的软件部分,让属于你自己的小π动起来。


一、软件架构与通信协议

1、软件架构

在开始前,我们来复习一下第一期文章中提到的软件架构图。

 

首先介绍一下软件的架构,小π机器人的软件部分主要包含手机 APP 程序、上位机程序、主控单片机程序和从机程序构成。本周主要讲解主控单片机程序和从机程序,下周将讲解手机 APP 程序和上位机程序。小π机器人的软件架构图如下图所示:

 

 

主控单片机收到数据以后先判断是动作指令还是其他指令。如果是动作指令,直接将指令发给动作控制单片机,动作控制单片机调用不同的数组,输出不同的 PWM,使舵机的转过不同角度,从而实现各种不同动作。如果是其他指令,比如三色 RGB 灯的控制,解析出三色的数据,输出不同电压,实现脸部变色功能。比如喇叭,可以播放 SD 卡中的音乐。

 

2、通信协议

为了方便手机与单片机之间、上位机与单片机之间、主机与从机之间的通信,我们定义了属于自己的通信协议。

 

通信协议的基本格式为<指令,参数>。

例如动作指令<FW,5>。其中,“<”代表指令开始;指令“FW”是英文向前 forward 的缩写,代表向前的命令;英文“,”把命令和参数分隔开;参数“5”代表指令 FW 的参数为 5;“>”代表指令结束。这句话的意思就是向前走 5 步。其它动作指令也是类似的。

灯光颜色选择指令由三条指令构成,分别为<R,R 的参数>,<G,G 的参数>和<B,B 的参数>。众所周知,红、绿、蓝是光的三原色,通过控制红、绿、蓝的比例,就可以实现任意颜色的输出。R、G、B 是英文红色 red、绿色 green、蓝色 blue 的首字母,分别代表红色、绿色和蓝色。R、G、B 的参数变化范围为 0-255,这样就可以变化出 1600 多万种颜色。

 

二、单片机选择

为了方便大家编写单片机的程序,我们采用的是完全开源的 Arduino 系列单片机。Arduino 由一个欧洲开发团队于 2005 年冬季为艺术生开发,所以比较简单,容易上手。Arduino 由硬件(各种型号的 Arduino 板)和软件(Arduino IDE)组成。下图为常用的几款 Arduino。

 

 

Arduino IDE 可以在 Windows、Macintosh OSX、Linux 三大主流操作系统上运行。Arduino 语言基于 wiring 语言开发,是对 avr-gcc 库的二次封装,不需要太多的单片机基础、编程基础,简单学习后,人人都可以快速的进行开发。Arduino 的硬件原理图、电路图、IDE 软件及核心库文件都是开源的,在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

 

总之,Arduino 具有跨平台、开发简单、开源的优点,所以我们采用的 Arduino 系列单片机。

 

三、运动控制简析

小π机器人有 4 个自由度,换句话说,小π机器人的运动主要是通过控制 4 个舵机来实现的。4 个舵机在一定时间内依次转动不同的角度,再通过一定的排列组合,就可以实现前进、左转、右转、后退等简易动作和摇头、抬脚、晃腿、弹跳等复杂的动作。

 

 

舵机的输入线共有三条,红色中间,是电源线,一边黑色的是地线。舵机的控制信号为周期是 20ms 的脉宽调制(PWM)信号,其中脉冲宽度从 0.5ms-2.5ms,相对应舵盘的位置为 0-180 度,呈线性变化。也就是说,给它提供一定的脉宽,它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变,直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号,它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路,产生周期 20ms,宽度 1.5ms 的基准信号,有一个比较器,将外加信号与基准信号相比较,判断出方向和大小,从而产生电机的转动信号。

 

由于一次改变 PWM 占空比太多,舵机转动速度过快、转动角度太大,会造成动作不协调、也不美观,而且运动过快容易造成小π机器人的不平衡。所以要控制小π机器人做一个特定的动作,只能分多次控制舵机的角度,每次只转动一点角度,延时一定时间后再次改变舵机的角度,这个延迟时间一般为几个毫秒,这样就可以使舵机比较平缓的转动相应的角度。

 

四、其余硬件部分程序

1、蓝牙模块

   蓝牙模块使用的是 HC-06,负责与手机之间进行通信。单片机与蓝牙模块之间的通信采用的是串口通信。波特率设置为 115200,设置代码为 Serial.begin(115200)。发送<FW,5>命令代码为 Serial.println(”<FW,5>”)。

 

 

2、音频播放模块

主控单片机通过模拟人按压独立按键产生一个脉冲信号控制蓝牙音频模块,实现切换歌曲、调节音量、播放与暂停的功能。

 

 

例如,定义播放 / 暂停键为 2 号端口,初始化代码为:

pinMode(2,OUTPUT);

产生一个脉冲信号代码为:

digitalWrite(2,HIGH);//2 号端口置为高电平

delay(200);// 延时 200 毫秒

digitalWrite(2,LOW); //2 号端口置为低电平

delay(1000);// 延时 1 秒

3、七彩 LED 控制

主控单片机产生三个不同 PWM 信号实现对七彩 LED 的控制,最终达到灯光秀的效果。

 

 

PWM 信号是数字方波,其中频率是恒定的,但信号接通时间的一小部分(占空比)可以在 0 和 100%之间变化。

 

 

4、触摸功能

三根触须使用的是金属材料,人摸触须时,由于端口电平的改变触发中断,执行相应的操作。

 

 

中断设置代码如下:

pinMode( pinInterrupt, INPUT);// 设置管脚为输入

//Enable 中断管脚, 中断服务程序为 onChange(), 监视引脚变化

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinInterrupt),onChange,CHANGE);

 

5、语音互动功能

将语音以数组的形式存到 SD 卡中,每次进行语音互动时,提取相应的数据,产生音频输出信号,经过滤波后通过喇叭播放相应的语音。

 

6、SD 卡模块

SD 卡模块读写可以采用 SPI 模式或者 SDIO 模式读写数据。

 

 

SD 库允许读取和写入 SD 卡,例如在 Arduino 以太网盾上。该库支持标准 SD 卡和 SDHC 卡上的 FAT16 和 FAT32 文件系统。它使用简短的 8.3 名称作为文件。传递给 SD 库函数的文件名可以包含用正斜杠分隔的路径,例如“directory / filename.txt”。由于工作目录始终是 SD 卡的根目录,因此无论是否包含前导斜杠(例如,“/file.txt”等同于“file.txt”),名称都是指同一个文件。从版本 1.0 开始,该库支持打开多个文件。

 

微控制器和 SD 卡之间的通信使用 SPI,它发生在数字引脚 11,12 和 13(在大多数 Arduino 板上)或 50,51 和 52(Arduino Mega)上。另外,必须使用另一个引脚来选择 SD 卡。这可以是硬件 SS 引脚 - 引脚 10(在大多数 Arduino 板上)或引脚 53(在 Mega 上) - 或调用 SD.begin()时指定的另一个引脚。 请注意,即使您不使用硬件 SS 引脚,也必须将其保留为输出或 SD 库不起作用。

 

这些模块的代码都比较简单、网上也有大量的例程。需要什么程序,大家自由组合就好了。