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在第1部分中，我們討論了構(gòu)建一個(gè)探索者機(jī)器人的幾個(gè)重要步驟。我們通過Eagle設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了我們自己的PCB。在第2部分中，我們將添加其他組件，并對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，以確保RF機(jī)器人能夠按照預(yù)期方式運(yùn)行。這里我們所設(shè)計(jì)的探索者機(jī)器人能夠自主行駛，感知周圍環(huán)境并無線傳輸收集到的數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是為探索者機(jī)器人制造原型，該原型將配備有一組傳感器，如溫度傳感器和壓力傳感器，這些傳感器能夠借助數(shù)字無線電通信模塊（RF）實(shí)時(shí)發(fā)送所收集的信息。

硬件

Arduino Uno

2x 收發(fā)器 NRF24l01+

2x Pololu 發(fā)動(dòng)機(jī) 100:1

4x 車輪

穩(wěn)壓器

水晶玻璃

L298

nRF24L01

氣壓傳感器 BMP085

距離傳感器 HC-SR04

軟件

Arduino IDE

C#

GitHub

工具

Eagle CAD

圖1：第1部分中的RF機(jī)器人設(shè)置

步驟 1:結(jié)構(gòu)和機(jī)械組件

遠(yuǎn)程控制器將從筆記本電腦的USB端口獲取信息，并通過第二個(gè)nRF24l01+模塊進(jìn)行重定向。遠(yuǎn)程控制器由Arduino開發(fā)板和帶有NRF連接器和電源的板組成，這個(gè)板將被安裝在Uno上方，以避免使用電線。

圖2：遠(yuǎn)程控制器原理圖

圖3：遠(yuǎn)程控制器PCB

圖4：安裝有連接到Arduino Uno 的NRF24L01+模塊的遠(yuǎn)程控制器

您還會(huì)看到我們安裝的兩個(gè)LED燈，用來指示電路的功能和上述的其他組件。我們將會(huì)使用一些用于穩(wěn)壓器和NPN晶體管過熱保護(hù)的小冷卻器。電路板將會(huì)被放置于電池上方，如圖5所示。

圖5：安裝在電池上方的遠(yuǎn)程控制器

步驟 2: 模塊

我們正在使用的是nRF24L01+無線收發(fā)器模塊。nRF24L01+是一款超低功耗的無線射頻收發(fā)器。對(duì)于此類應(yīng)用程序，該模塊是最佳選擇。它以其出色的性能和低廉的價(jià)格成為最受歡迎的型號(hào)之一，同時(shí)，該模塊通用的通信協(xié)議使其能夠與全球廣泛使用的軟件兼容。

nRF24L01+ 資料表

規(guī)格:

工作頻率 2.4GHz – 126 通道

速度: 250kbps, 1 和 2 Mbps

發(fā)射器: 輸出功率為0dBm 時(shí)是11.3mA

最大功率: 100mW (由于前置放大器)

接口: 4 引腳 SPI – 有效負(fù)載: 32 字節(jié)

圖6：NRF24L01+模塊

為了獲取壓力和溫度數(shù)據(jù)，我們將使用Sparkfun BMP085氣壓傳感器。該傳感器提供300至110 kPa的測(cè)量范圍，誤差為0.03 kPa。BMP085還可以提供0至65 °C范圍內(nèi)的溫度測(cè)量功能。其承受的電壓必須在1.8-3.6V范圍內(nèi)，并通過l2C直接與微控制器建立連接。

BMP085 資料表

規(guī)格:

接口(l2C)

寬氣壓范圍

寬電壓范圍

極低的電流損耗

低噪環(huán)境測(cè)量

完全較準(zhǔn)

含運(yùn)動(dòng)傳感器

圖7：BMP085氣壓傳感器

現(xiàn)在我們將要安裝HC-SR04超聲波傳感器。HC-SR04的檢測(cè)范圍為2-200厘米。微控制器向傳感器發(fā)送激發(fā)聲波的脈沖。當(dāng)傳感器感知到聲波已返回時(shí)，將向微控制器發(fā)送回脈沖，計(jì)算發(fā)送脈沖的時(shí)間與接收到脈沖的時(shí)間之間的差值即可算出距離。

D=(t2?t1)×170

圖8：位于車體正面的HC-SR04距離傳感器

步驟 3: 數(shù)據(jù)路由

Arduino平臺(tái)提供了預(yù)定義的功能，使用者無需對(duì)一些寄存器進(jìn)行配置?？梢酝ㄟ^一些庫來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與其他外圍設(shè)備的接口。使用一根Arduino-PC電纜就可以以非常簡(jiǎn)單地完成編程。該開發(fā)板配有USB-UART轉(zhuǎn)換器。

在本項(xiàng)目中，需要有兩個(gè)程序：一個(gè)用于機(jī)器人的功能，另一個(gè)用于遠(yuǎn)程控制器。這兩個(gè)程序通過nRF24101+模塊以無線電的方式相互通信。數(shù)據(jù)流程圖如圖9所示。有兩種方式。正向傳遞：首先，信息被應(yīng)用程序發(fā)送到Arduino。然后由收發(fā)器接管的信息將進(jìn)一步發(fā)送到第二個(gè)收發(fā)器，再返回到微控制器。這將用于控制機(jī)器人的機(jī)體運(yùn)動(dòng)。

圖9：數(shù)據(jù)流程圖

反向傳遞：控制器從傳感器獲取信息并進(jìn)行處理，然后將其發(fā)送到OTA（空中下載技術(shù)），使其最終到達(dá)PC端。

步驟 4: 應(yīng)用程序

該應(yīng)用程序是通過Microsoft Visual Studio 2010使用Visual C#編程語言來完成的。Visual Studio在編輯部分融入視覺元素，具有非常簡(jiǎn)潔直觀的界面。這有助于實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序可以發(fā)送指令，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。機(jī)器人的控制由鍵盤上的箭頭按鍵來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)您按下箭頭按鍵的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)按鈕會(huì)亮起，表示指令已經(jīng)被接收到。這些指令其實(shí)是串行傳送的字母，最后會(huì)到達(dá)機(jī)器人控制器進(jìn)行解碼。例如，當(dāng)您按下“向上”鍵時(shí)，應(yīng)用程序通過USB在串行端口發(fā)送“U”，指令的解碼表如下所示：

為了達(dá)到該效果，我們應(yīng)用了以下算法：應(yīng)用程序發(fā)送LED燈“打開”指令，然后遠(yuǎn)程控制器接收指令并將其發(fā)送給機(jī)器人。一旦機(jī)器人接收到指令，就會(huì)打開LED并向應(yīng)用程序發(fā)送指令打開指示燈。我們引入該算法來避免產(chǎn)生不同步的問題（LED熄滅但指示燈亮起的情況）。

另一個(gè)重要問題是界面中信息的導(dǎo)入和顯示。為了使應(yīng)用程序能夠區(qū)分信息并知道在哪里顯示，我們實(shí)施了以下方法：一旦機(jī)器人從遠(yuǎn)程控制器接收到信息，它不僅僅只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的傳送，還會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理并發(fā)送類似這樣的指令：“CMD: TE =” + val.marime。應(yīng)用程序就會(huì)在通過串行端口檢索到以“CMD”開頭的信息時(shí)刪除掉“：”并讀取之后的兩個(gè)字母，這兩個(gè)字母表示的是信息將會(huì)被寫入的區(qū)域?！皏al. marime”會(huì)在“=”之后被讀取，對(duì)于以上示例，程序?qū)?huì)把讀取到的數(shù)據(jù)分配到溫度區(qū)域中。

為了使應(yīng)用程序能夠識(shí)別同時(shí)按下的兩個(gè)按鍵，我們已經(jīng)為每個(gè)按鍵初始化了一個(gè)變量。當(dāng)按下一個(gè)按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)事件就會(huì)其變量的值增加到1；當(dāng)釋放按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)事件就會(huì)將其變量減少到0。計(jì)時(shí)器將會(huì)持續(xù)計(jì)算這些變量的值。

圖10：設(shè)計(jì)應(yīng)用程序

步驟 5: 關(guān)于程序

機(jī)器人使用的是在Arduino IDE中編譯的程序，比遠(yuǎn)程控制器的程序要復(fù)雜的多：

程序定義了向前/向后移動(dòng)，轉(zhuǎn)彎，開燈，計(jì)算距離、溫度和壓力的函數(shù)。

主程序是一個(gè)無限循環(huán)程序，將會(huì)持續(xù)判斷無線電模塊是否接收到信息，如果有，就會(huì)對(duì)輸入的代碼進(jìn)行處理。

如果輸入信息與程序中的一條預(yù)設(shè)指令匹配，那么將根據(jù)收到的字母執(zhí)行相應(yīng)功能。

當(dāng)從傳感器接收到傳遞信息的指令時(shí)，將會(huì)運(yùn)行多個(gè)函數(shù)來對(duì)信息進(jìn)行收集，并將其添加到將被傳遞的向量中。

如果我們要運(yùn)行的是有關(guān)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)，則當(dāng)收到“U”，“D”，“R”或“L”時(shí)，程序?qū)?zhí)行一個(gè)指令20ms。盡管這個(gè)時(shí)間很短，但通過持續(xù)按下筆記本電腦上的按鍵，就可以非常快速地發(fā)送一連串的指令。

步驟 6: 代碼

1. 遠(yuǎn)程控制器

#include 
#include "nRF24L01.h"
#include "RF24.h"
char cmd[3];
RF24 radio(9,10);
const uint64_t pipes[2] ={ 0xE8E8F0F0E1LL, 0xDEDEDEDEE7LL} ;
float bar[7];
char arc[3];
int cifra[3];
int val;
int a;
void setup(void){
Serial.begin(9600);
radio.begin();
radio.openWritingPipe(pipes[0]);
radio.openReadingPipe(1,pipes[1]);
radio.setDataRate(RF24_250KBPS);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
}
void loop(void){
if(Serial) {
digitalWrite(6, HIGH);
digitalWrite(5, LOW);
}
else {
digitalWrite(5, HIGH);
digitalWrite(6, LOW);
}
cmd[0]=Serial.read();

if(cmd[0]=='O') {
delay(20);
arc[0]=Serial.read();
delay(20);
arc[1]=Serial.read();
delay(20);
arc[2]=Serial.read();

//Storing the values
cifra[0]=arc[0]-'0';
cifra[1]=arc[1]-'0';
cifra[2]=arc[2]-'0';
val=10*cifra[0]+cifra[1];
Serial.println(val);
Serial.println(sizeof(cmd));
cmd[0]='X';
cmd[1]=val;
cmd[2]=cifra[2];
radio.write(cmd, sizeof(cmd));
}
a=1;

if(cmd[0]=='N') {
radio.write(cmd, sizeof(cmd));
radio.startListening();

delay(1);
while(a==1) {

if (radio.available()){
a=2;
bool done = false;
while (!done){
done = radio.read(bar, 28);
Serial.print("CMD:X1=");
Serial.println(bar[0]);
delay(5);

Serial.print("CMD:D1=");
Serial.println(bar[1]);
delay(5);
Serial.print("CMD:TE=");
Serial.println(bar[2]);
delay(5);
Serial.print("CMD:PR=");
Serial.println(bar[3]);
delay(5);
Serial.print("CMD:AT=");
Serial.println(bar[4]);
delay(5);
Serial.print("CMD:AL=");
Serial.println(bar[5]);
Serial.print("CMD:LE=");
Serial.println(bar[6]);

}
}
}
}
else {
radio.write(cmd, sizeof(cmd));
}
}

2. 機(jī)器人

#include 
#include "nRF24L01.h"
#include "RF24.h"
#include
#define BMP085_ADDRESS 0x77 // I2C address of BMP085
#define trigPin 2
#define echoPin 4

const unsigned char OSS = 0;
int pwm, test1, test2;
char cmd[3];
RF24 radio(9,10);
const uint64_t pipes[2] ={ 0xE8E8F0F0E1LL, 0xDEDEDEDEE7LL} ;
float bar[7];
int ac1;
int ac2;
int ac3;
unsigned int ac4;
unsigned int ac5;
unsigned int ac6;
int b1;
int b2;
int mb;
int mc;
int md;
float temperature, pressure, atm, altitude,leduri;
long b5;

void bmp085Calibration()
{
ac1 = bmp085ReadInt(0xAA);
ac2 = bmp085ReadInt(0xAC);
ac3 = bmp085ReadInt(0xAE);
ac4 = bmp085ReadInt(0xB0);
ac5 = bmp085ReadInt(0xB2);
ac6 = bmp085ReadInt(0xB4);
b1 = bmp085ReadInt(0xB6);
b2 = bmp085ReadInt(0xB8);
mb = bmp085ReadInt(0xBA);
mc = bmp085ReadInt(0xBC);
md = bmp085ReadInt(0xBE);
}

// Calculate temperature in deg C
float bmp085GetTemperature(unsigned int ut){
long x1, x2;

x1 = (((long)ut - (long)ac6)*(long)ac5) >> 15;
x2 = ((long)mc << 11)/(x1 + md); b5 = x1 + x2; float temp = ((b5 + 8)>>4);
temp = temp /10;

return temp;
}

// Calculate pressure given up
// calibration values must be known
// b5 is also required so bmp085GetTemperature(...) must be called first.
// Value returned will be pressure in units of Pa.
long bmp085GetPressure(unsigned long up){
long x1, x2, x3, b3, b6, p;
unsigned long b4, b7;

b6 = b5 - 4000;
// Calculate B3
x1 = (b2 * (b6 * b6)>>12)>>11;
x2 = (ac2 * b6)>>11;
x3 = x1 + x2;
b3 = (((((long)ac1)*4 + x3)<>2;

// Calculate B4
x1 = (ac3 * b6)>>13;
x2 = (b1 * ((b6 * b6)>>12))>>16;
x3 = ((x1 + x2) + 2)>>2;
b4 = (ac4 * (unsigned long)(x3 + 32768))>>15;

b7 = ((unsigned long)(up - b3) * (50000>>OSS));
if (b7 < 0x80000000)
p = (b7<<1)/b4;
else
p = (b7/b4)<<1; x1 = (p>>8) * (p>>8);
x1 = (x1 * 3038)>>16;
x2 = (-7357 * p)>>16;
p += (x1 + x2 + 3791)>>4;

long temp = p;
return temp;
}

// Read 1 byte from the BMP085 at 'address'
char bmp085Read(unsigned char address)
{
unsigned char data;

Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(address);
Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(BMP085_ADDRESS, 1);
while(!Wire.available())
;

return Wire.read();
}

// Read 2 bytes from the BMP085
// First byte will be from 'address'
// Second byte will be from 'address'+1
int bmp085ReadInt(unsigned char address)
{
unsigned char msb, lsb;

Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(address);
Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(BMP085_ADDRESS, 2);
while(Wire.available()<2)
;
msb = Wire.read();
lsb = Wire.read();

return (int) msb< }

// Read the uncompensated temperature value
unsigned int bmp085ReadUT(){
unsigned int ut;

// Write 0x2E into Register 0xF4
// This requests a temperature reading
Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(0xF4);
Wire.write(0x2E);
Wire.endTransmission();

// Wait at least 4.5ms
delay(5);

// Read two bytes from registers 0xF6 and 0xF7
ut = bmp085ReadInt(0xF6);
return ut;
}

// Read the uncompensated pressure value
unsigned long bmp085ReadUP(){

unsigned char msb, lsb, xlsb;
unsigned long up = 0;

// Write 0x34+(OSS<<6) into register 0xF4
// Request a pressure reading w/ oversampling setting
Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(0xF4);
Wire.write(0x34 + (OSS<<6));
Wire.endTransmission();

// Wait for conversion, delay time dependent on OSS
delay(2 + (3<> (8-OSS);

return up;
}

void writeRegister(int deviceAddress, byte address, byte val) {
Wire.beginTransmission(deviceAddress); // start transmission to device
Wire.write(address); // send register address
Wire.write(val); // send value to write
Wire.endTransmission(); // end transmission
}

int readRegister(int deviceAddress, byte address){

int v;
Wire.beginTransmission(deviceAddress);
Wire.write(address); // register to read
Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(deviceAddress, 1); // read a byte

while(!Wire.available()) {
// waiting
}

v = Wire.read();
return v;
}

float calcAltitude(float pressure){

float A = pressure/101325;
float B = 1/5.25588;
float C = pow(A,B);
C = 1 - C;
C = C /0.0000225577;

return C;
}

int distance2() {

long duration, distance;
digitalWrite(trigPin, LOW); // Added this line
delayMicroseconds(2); // Added this line
digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(10); // Added this line
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = (duration/2) / 29.1;
if (distance < 4) { // This is where the LED On/Off happens } else { } if (distance >= 200 || distance <= 0){

}
else {

}
return distance;
}

void setup(void){
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
bar[0] ='A';
Serial.begin(9600);
radio.begin();
radio.openReadingPipe(1,pipes[0]);
radio.openWritingPipe(pipes[1]);
radio.startListening();
radio.setDataRate(RF24_250KBPS);

pwm=255;
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
pinMode(8, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(4, INPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
Wire.begin();
bmp085Calibration();
}
void mersF(int timp, int pwm) {
analogWrite(5, pwm);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(8, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
delay(timp);
digitalWrite(5, LOW);
}
void mersS(int timp, int pwm) {
analogWrite(6, pwm);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(8, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
delay(timp);
digitalWrite(6, LOW);
}
void VirareD(int timp, int pwm) {

analogWrite(5, pwm);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(8, HIGH);
digitalWrite(7, LOW);
delay(timp);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(8, LOW);
}
void VirareS(int timp, int pwm) {
analogWrite(5, pwm);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(7, HIGH);
digitalWrite(8, LOW);
delay(timp);
digitalWrite(7, LOW);
digitalWrite(5, LOW);

}
void VirareDspate(int timp, int pwm) {
analogWrite(6, pwm);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(8, HIGH);
digitalWrite(7, LOW);
delay(timp);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(8, LOW);
}
void VirareSspate(int timp, int pwm) {
analogWrite(6, pwm);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(7, HIGH);
digitalWrite(8, LOW);
delay(timp);
digitalWrite(7, LOW);
digitalWrite(6, LOW);
}

void stop(){
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
digitalWrite(8, LOW);
}
void trimitere() {
temperature = bmp085GetTemperature(bmp085ReadUT()); //MUST be called first
pressure = bmp085GetPressure(bmp085ReadUP());
atm = pressure / 101325; // "standard atmosphere"
altitude = calcAltitude(pressure); //Uncompensated caculation - in Meters
leduri=digitalRead(3);

radio.stopListening();
bar[0]=analogRead(A2);
bar[1]=distance2();
bar[2]=temperature;
bar[3]=pressure;
bar[4]=atm;
bar[5]=altitude;
bar[6]=leduri;
radio.write(bar, sizeof(bar));
delay(200);
radio.startListening();
}

void aprindere() {
if(digitalRead(3)) digitalWrite(3,LOW);
else digitalWrite(3,HIGH);
delay(30);
}

void loop(void){
if (radio.available()){
bool done = false;
while (!done){
done = radio.read(cmd, 3);
if (cmd[0] == 'U'){
Serial.println("Exec cmd: Up");
mersF(30,pwm);
}
else if (cmd[0] == 'E'){
Serial.println("Exec cmd: Right");
VirareD(30,pwm);
}
else if (cmd[0] == 'C'){
Serial.println("Exec cmd: Right");
VirareDspate(30, pwm);
}
else if (cmd[0] == 'Z'){
Serial.println("Exec cmd: Right");
VirareSspate(30,pwm);
}
else if (cmd[0] == 'D'){
Serial.println("Exec cmd: Down");
mersS(30,pwm);
}
else if (cmd[0] == 'Q'){
Serial.println("Exec cmd: Left");
VirareS(30, pwm);
}
else if (cmd[0] == 'N'){
delay(30);
trimitere();
}
else if (cmd[0] == 'B'){
delay(30);
aprindere();
}
else if (cmd[0] == 'J'){
stop();
delay(30);
}
 
else if (cmd[0] == 'X'){
 
test1=cmd[1];
test2=cmd[2];
pwm=test1*10+test2;
delay(30);
}
else {
}
}
}
}

圖11：完成的RF機(jī)器人

圖12：組裝好的RF機(jī)器人（側(cè)視圖）

現(xiàn)在，我們已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)自主arduino機(jī)器人，該機(jī)器人能夠自主導(dǎo)航并從周圍環(huán)境中收集數(shù)據(jù)！這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性又很有意義的項(xiàng)目。這個(gè)原型還可以進(jìn)行進(jìn)一步的改善，例如添加用于在崎嶇地形/環(huán)境中提供保護(hù)的外殼。如果您有任何改進(jìn)的建議，請(qǐng)隨時(shí)與我分享！

Tiberia Todeila

Tiberia目前是羅馬尼亞布加勒斯特理工大學(xué)電氣工程學(xué)院的大四學(xué)生。她非常熱衷于設(shè)計(jì)和開發(fā)讓日常生活更輕松的智能居家設(shè)備。

審核編輯黃宇