這篇文章來源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。

歡迎回到ArduRover系列的第二部分！在Arduino 探索漫游車1—底盤中我們構(gòu)建了一個(gè)可以在崎嶇地形行駛的六輪驅(qū)動(dòng)大型越野機(jī)器人。在本文中，我們將把重點(diǎn)放在電子設(shè)備上——我們需要大量的傳感器，巨型電池以及一些無(wú)線控制的工具。好，讓我們開始吧！

硬件

? 第一部分制作的ArduRover底盤

? 12 V 鉛酸電池（容量越大越好，我使用的是8.5Ah）

? Arduino Mega

? 帶SPI接口的SD卡模塊

? 帶串行接口的GPS模塊

? 帶串行接口的VC0706 JPEG相機(jī)

? 2x 9 g 微型伺服器

? 2x Pololu VNH5019 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)模塊，非開發(fā)板）

? ROHM 傳感器評(píng)估套件

? LoRenz 開發(fā)板 + SX1278模塊

? 將所有設(shè)備連接在一起的電纜和跨接線

工具

3D 打印機(jī)（推薦）

3D打印部件

? 相機(jī)支架–可在Thingiverse上獲取

? 傳感器盒–可在Thingiverse上獲取

在進(jìn)行布線之前，我們需要一個(gè)地方安置所有的電子設(shè)備—最好是一些防水的盒子。為了把這些盒子安裝到底盤上，我們需要一些輔助零件。那么，就讓我們回到車庫(kù)去來制作這些東西吧。完成后，我們還需要對(duì)底盤做一些最后的調(diào)整。

第六步：安裝電子設(shè)備的支架

在上一篇文章中，我詳細(xì)介紹了用鋁型材制作部件的過程，所以在本文中，我就將這一部分做一下簡(jiǎn)短介紹。畢竟，這些支架本身也都比較簡(jiǎn)單：它們由與控制臂相同的U型材制成，并且有兩個(gè)10mm的孔，可將其滑動(dòng)到兩個(gè)10mm的中央螺紋桿上。下圖是支架的照片：

圖1：放置電子設(shè)備盒的支架

這是將支架安裝到底盤后的樣子，兩側(cè)均用一個(gè)M10螺母將其進(jìn)行固定，為電子設(shè)備和電池提供了一個(gè)穩(wěn)定而堅(jiān)固的平臺(tái)。

圖2：安裝在框架上的支架

您可能已經(jīng)注意到了，我沒有提供支架的設(shè)計(jì)圖紙。那是因?yàn)槟赡軙?huì)使用不同的盒子來放置電子設(shè)備。比如，我使用的盒子尺寸是105 x 170 x 112 mm，所以我的支架長(zhǎng)170mm，兩端有兩個(gè)4mm的孔。您需要在這里進(jìn)行一些自定義的設(shè)計(jì)，并且對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整來滿足自己的需求。盡管如此，我還是建議您使用具有較高IP編碼的盒子。IP編碼代表的是防塵等級(jí)（第一個(gè)數(shù)字）和防水等級(jí)（第二個(gè)數(shù)字）。例如，我的盒子防護(hù)等級(jí)是IP65，這就意味著6級(jí)固態(tài)顆粒防護(hù)（防塵外殼）以及5級(jí)液體侵入防護(hù)（外殼可防噴水）。除了機(jī)器人要浸沒入大量水體中（或者駛?cè)胂窜囬g）的情況，我想這個(gè)等級(jí)就足夠了。

圖3：我用來裝電子設(shè)備的IP65盒

第七步：底盤的最后調(diào)整

由于我們的機(jī)器人將在自然環(huán)境中進(jìn)行移動(dòng)，如果它安裝有一些傳感器來測(cè)量周邊環(huán)境的所有特征，那就太酷了。為了達(dá)到這個(gè)目的，我將使用ROHM 傳感器評(píng)估套件，可以幫助我們更加容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中物理特性的感知。用于各個(gè)傳感器的Arduino庫(kù)可以點(diǎn)擊下面的鏈接下載。在本項(xiàng)目中，我將使用以下傳感器：

? BM1422GMV– 磁力計(jì)

? RPR-0521RS – 環(huán)境光傳感器

? KX022-1020 – 加速度計(jì)

? BM1383GLV – 壓力傳感器

? ML8511A – 紫外線傳感器

? BD1020HFV – 溫度傳感器

但是有一個(gè)問題：所有傳感器都被設(shè)計(jì)為在插入開發(fā)板上的接口后工作。因?yàn)樵诿芊夂凶觾?nèi)的開發(fā)板將會(huì)被封閉，這樣一些傳感器，比如紫外線傳感器，將無(wú)法測(cè)量出任何有意義的物理量。另外，諸如加速度計(jì)和磁力計(jì)這樣的傳感器需要安裝在一個(gè)很穩(wěn)定的平臺(tái)上，如果僅僅將其插入開發(fā)板中，它們往往會(huì)發(fā)生大幅度的前后移動(dòng)，這將會(huì)嚴(yán)重影響這些傳感器的測(cè)量性能。

解決這些問題的方法很簡(jiǎn)單。我們只需要一些用于這些傳感器的外殼即可，某種可以輕松地安裝在底盤任何部位，并且可以提供足夠的覆蓋力卻又不阻礙感知我們想要測(cè)量的環(huán)境特征的東西。這就是為什么我為所使用的傳感器設(shè)計(jì)了這些小外殼的原因。它們可以通過任何3D打印設(shè)備輕松的制造出來。關(guān)于這些小外殼的更多信息，請(qǐng)參加另一篇文章：ROHM傳感器評(píng)估套件的3D打印案例。

圖4：傳感器外殼

另一個(gè)需要這種外殼的部件是相機(jī)。我們也想把相機(jī)固定起來，這也是用9g伺服器的原因。起初，我想使用一種可以在網(wǎng)上找到的便宜的相機(jī)支架。事實(shí)證明這浪費(fèi)了5美元，因?yàn)檫@個(gè)支架在我第一次不小心撞到它時(shí)就折成了兩段。我沒有打算再買一個(gè)碰碰運(yùn)氣，而是選擇自己來完成設(shè)計(jì)然后用3D打印制作出來！這次制作出的產(chǎn)品比第一個(gè)堅(jiān)固得多，我們可以在它的輔助下拍到一些不錯(cuò)的照片了。

圖5：相機(jī)支架

該模型的相關(guān)文件都可以在Thingiverse上獲取，所以，如果您在任何項(xiàng)目中需要一個(gè)小尺寸、堅(jiān)固的相機(jī)支架，就通過3D打印來制作一個(gè)吧！

當(dāng)然，所有傳感器和相機(jī)必須固定在某些地方。我決定將它們安裝在一個(gè)3mm方形亞克力板上，它位于框架前方的頂部。然后，我們將傳感器的電纜連接到放置在它們正后方的電子設(shè)備盒中。

圖6：沒有相機(jī)時(shí)傳感器的安裝細(xì)節(jié)這些標(biāo)注分別顯示的是特定情況下使用的傳感器

圖7：傳感器和相機(jī)的最終安裝位置

您最后可能還要調(diào)整和更改抑制器的強(qiáng)度。因?yàn)槲沂褂玫氖谴笮豌U酸電池，所以大部分重量會(huì)集中在最后的一對(duì)懸架上。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，我將最后一對(duì)抑制器設(shè)置為最高強(qiáng)度，第一對(duì)設(shè)置為最小強(qiáng)度，中間的設(shè)置為中等強(qiáng)度。

圖8：設(shè)置為最高強(qiáng)度的抑制器（上）和設(shè)置為最低強(qiáng)度的抑制器（下）

該步驟取決于您所使用的電池型號(hào)。如果您的電池足夠輕，可能就沒必要更改抑制器強(qiáng)度。但是，我的電池比較龐大：具有8.5Ah的容量，重量達(dá)2.7 kg (5.95 lbs)。這是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)并糾錯(cuò)的過程，所以您需要做的就是把電池放到底盤上，然后修改設(shè)置，反復(fù)幾次后看看哪種設(shè)置的效果最好。理想情況下，底盤在一個(gè)平整的表面應(yīng)該是水平狀態(tài)，不應(yīng)有向前或向后的傾斜。

第八步：連接邏輯端

現(xiàn)在要介紹的是本文中最具挑戰(zhàn)性的部分：將邏輯端、傳感器和Arduino連接在一起。即使我們使用兩個(gè)開發(fā)板（LoRenz開發(fā)板和ROHM傳感器評(píng)估套件擴(kuò)展板），還是有許多模塊需要連接。這里顯示的是接線的Fritzing示意圖。請(qǐng)注意，ROHM擴(kuò)展板沒有顯示在示意圖中，因?yàn)樗鼤?huì)覆蓋其他大部分的連線。

圖9：邏輯端連線的Fritzing示意圖

有點(diǎn)混亂是嗎？除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接由電池供電，其他所有組件都是由Arduino的5V穩(wěn)壓器來供電的。Arduino本身也是由該穩(wěn)壓器供電?，F(xiàn)在，我們來分別看一下那些重要的組件連接。我的建議是一次連接一個(gè)模塊，然后每次建立一個(gè)新的連接都進(jìn)行測(cè)試。

1. 伺服器。伺服器的信號(hào)與Arduino的引腳8和9連接，支持PWM（脈沖寬度調(diào)制）。

2. LoRenz 開發(fā)板。該開發(fā)板使用SPI總線。不好的一點(diǎn)是，在Arduino Mega上總線用的是50、51和52引腳，而這個(gè)開發(fā)板設(shè)計(jì)的是使用Arduino UNO，所以SPI總線應(yīng)該用13、12和11引腳。我們可以通過直接連接開發(fā)板上U/M接頭的引腳和Arduino Mega上的對(duì)應(yīng)引腳來解決這個(gè)問題。同時(shí)，從機(jī)選擇引腳將會(huì)保留在默認(rèn)位置（引腳7）。

3. SD 卡模塊。和LoRenz開發(fā)板一樣，該模塊使用SPI總線。所以我們應(yīng)該直接將它連接到引腳50、51和52以及一些作為從機(jī)選擇的通用數(shù)字引腳就可以了，是這樣嗎？好吧，其實(shí)沒有那么簡(jiǎn)單。我們的Arduino具有5V邏輯電平—這意味著電壓電平5V（有一定的容差）會(huì)被釋義為邏輯1，而電壓0V（有較大容差）被視為邏輯0。LoRenz使用的無(wú)線模塊具有3.3V邏輯電平，但是已被適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)為5V，來實(shí)現(xiàn)與Arduino之間的可靠通信。SD卡模塊也具有3.3V邏輯電平，但是，它只能在一個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換（因?yàn)檫@樣制造成本較低）。這意味著從模塊發(fā)出的所有信號(hào)仍然是3.3V邏輯電平。這使總線上的通信變得非常不可靠，或者有可能會(huì)直接破壞通信。這些話的含義是，如果您要處理的總線上的邏輯電平不同，而該總線上可能有兩個(gè)以上的設(shè)備，則正確的做法始終是對(duì)它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確保避免在一個(gè)總線上混合使用不同的電壓電平。
幸運(yùn)的是，SPI通信非常簡(jiǎn)單，可以通過軟件來進(jìn)行。所以我們只需要把SD模塊連接到任何3個(gè)數(shù)字引腳，然后通過代碼進(jìn)行處理即可。我選擇的引腳是13、12和11。

4. VC0706 相機(jī)。相機(jī)使用RS-232（串行）總線進(jìn)行連接。再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，相機(jī)具有3.3V的邏輯電平。因?yàn)橐淮沃荒軐蓚€(gè)設(shè)備連接到RS-232，所以只需要在Arduino RX線上使用一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器就夠了。相機(jī)使用的是Mega引腳16和17上的第三個(gè)硬件串行線（Arduino代碼中的Serial2）。

5. GPS 模塊。這是第二個(gè)使用串行線的模塊，因此我們可以將其放置在第四個(gè)串行端口（Serial3）的引腳14和15上。我故意略去了第二個(gè)端口（Serial1），因?yàn)橐_18和19都可用于觸發(fā)中斷，我們之后會(huì)需要將其用到傳感器上。

6. ROHM 傳感器擴(kuò)展板。該擴(kuò)展板位于LoRenz開發(fā)板上方。這里，我們需要把傳感器和中斷引腳連接起來。我按照以下方式對(duì)傳感器進(jìn)行連接：

因?yàn)長(zhǎng)oRenz已經(jīng)使用了中斷引腳2和3，我們不能簡(jiǎn)單地通過將擴(kuò)展板上的一些引腳短路來選擇它們（有關(guān)ROHM傳感器擴(kuò)展板上中斷工作方式的更多信息，請(qǐng)參閱RohmMultiSensor wiki）。BM1422GMV位于插槽I2C_1，該插槽連接到INT1。因此，我們將會(huì)把INT1連接到Arduino可以觸發(fā)中斷的引腳18。類似地，KX022-1020位于連接到INT3的插槽I2C_2，我們會(huì)將其連接到Arduino的引腳19上。

7. VNH5019 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器不需要用專門的總線進(jìn)行連接，只需要兩個(gè)數(shù)字引腳控制方向、一個(gè)PWM引腳控制速度、一個(gè)模擬引腳（可選）來讀取流經(jīng)電機(jī)的電流即可。左側(cè)驅(qū)動(dòng)器連接到引腳41、43和45（PWM）以及A15（模擬），右側(cè)驅(qū)動(dòng)器連接到引腳40、42和44（PWM）以及A14（模擬）。

到目前為止您已經(jīng)都完成了嗎？太棒了，因?yàn)檫@是本文中最難的一部分！當(dāng)您完成布線后，應(yīng)該看到類似以下的內(nèi)容：

圖10：所有已完成連接的電子設(shè)備

第九步：電源端接線

下一步是連接電源：電池和電機(jī)。底盤上有六個(gè)電機(jī)，但是我們僅有兩個(gè)VNH5019電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這樣一來，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要用于三個(gè)電機(jī)。我們現(xiàn)在有兩種方式來連接這三個(gè)電機(jī)：串聯(lián)或并聯(lián)。

1. 串聯(lián)連接
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供的電流直接流經(jīng)三個(gè)電機(jī)。但是，每個(gè)電機(jī)上的電壓僅為驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的三分之一（假設(shè)所有電機(jī)完全相同）。驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓為12V，那么每個(gè)電機(jī)上分配的電壓為4V，這是不夠的，因?yàn)槊總€(gè)電機(jī)的額定電壓是12V。

2. 并聯(lián)連接
驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓均等的施加到每個(gè)電機(jī)上，所以每個(gè)電機(jī)都有12V的電壓。在這種情況下，電流被分成了三部分，所以每個(gè)電機(jī)僅能得到驅(qū)動(dòng)器輸出電流的三分之一。電機(jī)的額定堵轉(zhuǎn)電流為5A。驅(qū)動(dòng)器可以提供持續(xù)電流12A以及峰值電流30A。這并不是十分理想，因?yàn)檫@種情況下驅(qū)動(dòng)器無(wú)法提供足夠的電流使三個(gè)電機(jī)都轉(zhuǎn)，但是對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目來說，不會(huì)影響工作的正常進(jìn)行。

因此，我們將進(jìn)行并聯(lián)連接。需要記住一點(diǎn)，當(dāng)對(duì)負(fù)載進(jìn)行并聯(lián)連接時(shí)，總電阻值將會(huì)下降。在我們的項(xiàng)目中，因?yàn)槲覀冞B接的電機(jī)大致相同，所以并聯(lián)之后的總電阻值恰好是一個(gè)電機(jī)電阻值的三分之一。這可能會(huì)導(dǎo)致一些有最小負(fù)載要求的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)問題。幸運(yùn)的是，VNH5019沒有最小負(fù)載要求，所以我們可以順利地進(jìn)行工作。

這里是一個(gè)電源連接的示意圖。非常簡(jiǎn)單，在+12V線上有一個(gè)開關(guān)，我們可以將其關(guān)閉來停止機(jī)器人的工作。電池連接到了驅(qū)動(dòng)器和LoRenz開發(fā)板上，后者上有螺旋式接線端子，可以直接連接到Arduino VIN和GND引腳。

圖11：電源接線原理圖

我認(rèn)為，這一步中最困難的部分是選擇將連接線放在底盤的什么位置。您需要將它們放置在不會(huì)干擾其他運(yùn)動(dòng)部件的位置。另外，應(yīng)該對(duì)這些連接線進(jìn)行一定程度的遮蓋，因?yàn)楫?dāng)機(jī)器人在戶外探索時(shí)我們不希望這些線被其他東西絆住。

當(dāng)您把所有的電機(jī)連接好后，就可以將它們放回電機(jī)模塊中了。然后將連接線固定在底盤上，并與調(diào)節(jié)器連接。

圖13：載有電子設(shè)備的ArduRover底盤成品

結(jié)論

現(xiàn)在，該進(jìn)行最后的接線測(cè)試了。使用萬(wàn)用表仔細(xì)地對(duì)所有的連接進(jìn)行測(cè)量，確保每一根線連接到正確的位置。這一步的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)都不為過，因?yàn)橹灰桓B接錯(cuò)誤而造成電源與一個(gè)引腳之間短路的電纜，您的Arduino器件就會(huì)在煙霧中化為烏有，或者可能會(huì)造成使機(jī)器人工作的某些部件遭到毀壞。請(qǐng)記住，我們使用的是鉛酸電池，所有的電池都是為了—您知道的—啟動(dòng)機(jī)器！這意味著如果發(fā)生了短路，將會(huì)輸出大量電流，關(guān)于這種情況的后果，您可以在YouTube上搜索一下“鉛酸電池短路”就知道了。

當(dāng)把所有的電子設(shè)備和電池安裝好后，機(jī)器人的最終重量也確定了。由于使用了巨型電池，現(xiàn)在機(jī)器人的重量達(dá)到驚人的13公斤—接近29磅！實(shí)際上，我對(duì)懸架在這種負(fù)載下也可以正常工作而感到驚訝。但是既然這樣沒問題，那我們就終于可以把這臺(tái)機(jī)器人帶到戶外去，看看我們辛苦工作之后的成果了。

為了測(cè)試電機(jī)在自然環(huán)境中的運(yùn)行情況，我寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序，可以由我直接設(shè)置所有電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向！該應(yīng)用程序在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通過一個(gè)串行端口向Arduino發(fā)送指令。然后Arduino通過LoRenz開發(fā)板將指令無(wú)線傳輸給機(jī)器人。坦率地說，用這種方式來控制機(jī)器人極具挑戰(zhàn)性。在上文中，您可以看到我嘗試控制漫游車的視頻，大多數(shù)情況是失敗的。非常感謝我的朋友Jan Karásek幫助我拍攝照片和錄制視頻。

下一個(gè)目標(biāo)是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，以收集所有傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)。目前為止，在機(jī)器人上運(yùn)行的程序僅能控制電機(jī)，我需要寫出更好的控制程序。因?yàn)橥ㄟ^鍵盤這種控制裝置來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控比較困難，尤其是在崎嶇地形上，我可能需要用一些其他的輸入設(shè)備，可能是一種可用于計(jì)算機(jī)的外接游戲機(jī)手柄風(fēng)格的控制器，甚至可能是一個(gè)Android手機(jī)。有關(guān)這些內(nèi)容以及更多的信息將會(huì)在下一部分中進(jìn)行介紹，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注！

Jan Gromes

Jan 目前在布爾諾工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程。他有多年使用Arduino和其他微控制器來構(gòu)建項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)十分感興趣。

審核編輯黃宇