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

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在第1部分中，我們制作了一塊定制的亞克力板底座，把NEMA 17步進(jìn)電機(jī)安裝到了底盤上。然后，我們將Arduino Uno 3和電機(jī)開(kāi)發(fā)板也連到亞克力底座上，并安裝了電機(jī)開(kāi)發(fā)板庫(kù)。在第2部分中，我們將添加機(jī)器人工作所需的其他系統(tǒng)部件，比如伺服器和激光測(cè)距儀（LRF），并編寫(xiě)一個(gè)程序，讓機(jī)器人能夠自主移動(dòng)。

有關(guān)如何利用Arduino UNO R3從零開(kāi)始搭建輪式機(jī)器人的信息，請(qǐng)參考我們?cè)谥暗奈恼隆度绾沃谱髯约旱臋C(jī)器人》 和《如何制作自己的機(jī)器人（第2部分）》。在本文中，我們將進(jìn)一步增加機(jī)器人的功能：讓該機(jī)器人動(dòng)起來(lái)并為其增加激光測(cè)距（LRF）功能，以使該設(shè)備能夠檢測(cè)物體并測(cè)量距離。

該機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

向前、向后移動(dòng)；向左和向右旋轉(zhuǎn)90度；向左和向右旋轉(zhuǎn)45度。

避開(kāi)障礙物時(shí)根據(jù)最佳可用路徑朝不同的方向移動(dòng)。

測(cè)量各個(gè)方向（前方、左右90度、左右45度）的距離。

根據(jù)可用的最長(zhǎng)距離，確定朝哪個(gè)方向前進(jìn)（向前、向后、向左或向右）。

硬件

制作此機(jī)器人所需的硬件請(qǐng)參見(jiàn)以下硬件明細(xì)，這些零部件在許多電商處都可以買到。

Arduino Uno rev 3

適用于Arduino的Adafruit步進(jìn)電機(jī)開(kāi)發(fā)套件

步進(jìn)電機(jī)

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

Parallax激光測(cè)距儀

OLED顯示屏

紅色包裝紙/盒

鋰聚合物電池3型（11.1V）和連接器

195 x 195 x 3mm亞克力板

軟件

Arduino IDE

Adafruit Motor Shield Library

LCD Display9696 Library.zip

工具

圓銼

Dremel 電動(dòng)工具

電烙鐵

迷你鋼鋸

安裝并測(cè)試伺服器

下一步是安裝用于平移的伺服器。首先，請(qǐng)用螺釘將兩塊小板擰到伺服基座上，然后用螺釘將其固定到亞克力底座上，如圖1和圖2所示。請(qǐng)用2個(gè)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亞克力底座上

圖2.將鋁制安裝架安裝到伺服器上

如圖3所示，將伺服器的接頭連至電機(jī)開(kāi)發(fā)板。電機(jī)開(kāi)發(fā)板上有2個(gè)伺服器接頭，分別標(biāo)記為“servo1”和“servo2”。本次連接請(qǐng)使用servo1接頭（外側(cè)的那個(gè)）。請(qǐng)注意，切勿接反。

圖3.伺服與電機(jī)開(kāi)發(fā)板的連接

現(xiàn)在，我們可以運(yùn)行程序了，請(qǐng)將以下代碼上傳到Arduino。無(wú)需安裝新庫(kù)，系統(tǒng)所需的庫(kù)（Servo.h）都已包含在Arduino IDE程序中。伺服器應(yīng)使用Digital引腳10（servo 1），或者如果伺服器連接到電機(jī)開(kāi)發(fā)板的servo 2，那么應(yīng)使用引腳11。

//***********************************************************************************************

#include 

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(jiǎn)單，它負(fù)責(zé)讓機(jī)器人從左向右進(jìn)行掃描并返回原始位置。

伺服器的工作原理請(qǐng)參見(jiàn)以下視頻：

安裝激光測(cè)距儀（LRF）

激光測(cè)距儀產(chǎn)品文檔– Parallax

Parallax激光測(cè)距儀（LRF）模塊是一款利用激光技術(shù)計(jì)算儀器到目標(biāo)物體的距離的測(cè)量?jī)x器。該設(shè)備根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量法（激光、攝像頭和物體質(zhì)心之間的簡(jiǎn)單三角函數(shù)）來(lái)計(jì)算儀器到目標(biāo)物體的距離。其最佳測(cè)量范圍為6–48英寸（15–122厘米），測(cè)量精度誤差<5％（平均3％）。

硬件安裝很簡(jiǎn)單。只需在亞克力板上鉆兩個(gè)與LRF位置相匹配的孔，然后用塑料墊片和螺釘將LRF固定到鋁底盤上即可（請(qǐng)參見(jiàn)圖5）。

圖4.將LRF電纜連至電機(jī)開(kāi)發(fā)板

圖5.安裝在鋁制安裝架上的LRF

由于LRF的最佳測(cè)量值上限為122厘米，我們需要將鋁制安裝架稍微向前彎曲，以使該范圍始終小于120厘米（圖6）。

圖6.向前彎曲鋁制安裝架，使激光到地的距離小于120厘米

請(qǐng)完全按照?qǐng)D7將電纜接頭連至LRF。GND接地，VCC接5V，SOUT接引腳8，SIN接引腳9。

圖7. LRF與電機(jī)開(kāi)發(fā)板的連接

我們已經(jīng)完成了LRF的安裝和連接，現(xiàn)在就來(lái)上傳代碼吧！同樣，無(wú)需安裝庫(kù)。我們要用的SoftwareSerial.h已經(jīng)包含在Arduino IDE中。

下面的代碼源自示例代碼，我們只是進(jìn)行了一些修改，將距離數(shù)據(jù)從字符串轉(zhuǎn)換為整數(shù)。其作用是測(cè)量傳感器到前方物體的距離并打印結(jié)果。我們用串行監(jiān)視器顯示結(jié)果。

// **************************************************************************************************************************************************

#include 

#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("nnParallax 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);

}

//*************************************************************************************************************************************************

串行監(jiān)視器顯示的結(jié)果如下所示。所有尺寸的單位均為毫米。

安裝OLED顯示屏

首先，我們將OLED塑料盒安裝到亞克力底座中（請(qǐng)參見(jiàn)圖9），然后再將OLED顯示屏附帶的線纜一端連至顯示屏。要將顯示屏連至電機(jī)開(kāi)發(fā)板，請(qǐng)將線纜另外一端jst接頭上的線纜剪下，然后將紅導(dǎo)線焊至5V，將黑導(dǎo)線焊至Ground，將黃導(dǎo)線焊至SDA引腳，將綠導(dǎo)線焊至SCL引腳。請(qǐng)確保OLED顯示屏的背面朝外。

圖8 . OLED與電機(jī)開(kāi)發(fā)板之間的連接

將OLED固定在底座上并連接電纜后，我們就可以運(yùn)行部分軟件了。

首先，請(qǐng)確保已經(jīng)安裝了SeeedOLED.h。然后，將以下代碼上傳到Arduino。該代碼使用了名為oled1的函數(shù)，稍后的最終編碼也會(huì)使用該函數(shù)。其基本功能就是顯示100到109的數(shù)字。

//*****************************************************************************************************************************************

#include 

#include 

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);

 }  

//*****************************************************************************************************************************************

程序正常運(yùn)行時(shí)，顯示屏應(yīng)該會(huì)顯示以下視頻中的內(nèi)容：

安裝最終代碼

現(xiàn)在，我們已經(jīng)完成了所有硬件的安裝并測(cè)試了各個(gè)設(shè)備。讓我們把所有軟硬件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)可以自主移動(dòng)的智能激光機(jī)器人吧。最終程序會(huì)執(zhí)行以下功能：

測(cè)量前方距離

如果距離超過(guò)70厘米，機(jī)器人將向前移動(dòng)500步（大約50厘米）；

如果距離大于40厘米小于70cm，機(jī)器人將向前移動(dòng)200步（20厘米）；

如果距離小于40厘米，機(jī)器人會(huì)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(cè)量每個(gè)方向的距離，然后計(jì)算哪個(gè)方向的測(cè)量距離最長(zhǎng)；

轉(zhuǎn)向距離最長(zhǎng)的那個(gè)方向；

返回第一步。

請(qǐng)復(fù)制以下代碼并將其上傳到Arduino：

//*********************************************************************************************************************

#include 

#include 

#include "utility/Adafruit_MS_PWMServoDriver.h"

#include 

#include 

#include 

#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顯示屏安裝在亞克力底座上的最終效果

結(jié)論

在之前的文章《如何制作自己的機(jī)器人》和《如何制作自己的機(jī)器人（第2部分）》中，我們用步進(jìn)電機(jī)制作了一款簡(jiǎn)單的輪式機(jī)器人。這次，我們對(duì)其進(jìn)行了功能改進(jìn)：為機(jī)器人增加了激光測(cè)距儀（LRF）功能，并且安裝了輪子，讓機(jī)器人能夠自由移動(dòng)。我一直想制作一款能夠進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備。在本例中，憑借激光傳感器，我們的機(jī)器人不僅能夠檢測(cè)并避開(kāi)物體，同時(shí)還能獲取更準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。激光機(jī)器人還有許多其他應(yīng)用場(chǎng)景。您也可以利用該激光傳感器設(shè)計(jì)自己喜歡的有趣項(xiàng)目。

接下來(lái)，我們會(huì)做一些更炫酷的事情，敬請(qǐng)期待！

Purnomo Nuhalim

來(lái)自墨爾本的Purnomo是一名退休人員，也是電子發(fā)燒友。目前，他正使用Arduino和Raspberry Pi從事各種開(kāi)放式硬件項(xiàng)目的研發(fā)。除了電子學(xué)，他還對(duì)航空建模和天文學(xué)充滿熱情。

審核編輯黃宇