【學(xué)霸帶節(jié)奏】教你DIY跳舞機器人之“軟件部分”（連載中）

通過上周介紹的小π機器人硬件電路部分和3D打印部分，你是否已經(jīng)打造出一款屬于自己的小π機器人呢？這周小編將要給大家介紹小π機器人的軟件部分，讓屬于你自己的小π動起來。

一、軟件架構(gòu)與通信協(xié)議

1、軟件架構(gòu)

在開始前，我們來復(fù)習(xí)一下第一期文章中提到的軟件架構(gòu)圖。

首先介紹一下軟件的架構(gòu)，小π機器人的軟件部分主要包含手機APP程序、上位機程序、主控單片機程序和從機程序構(gòu)成。本周主要講解主控單片機程序和從機程序，下周將講解手機APP程序和上位機程序。小π機器人的軟件架構(gòu)圖如下圖所示：

主控單片機收到數(shù)據(jù)以后先判斷是動作指令還是其他指令。如果是動作指令，直接將指令發(fā)給動作控制單片機，動作控制單片機調(diào)用不同的數(shù)組，輸出不同的PWM，使舵機的轉(zhuǎn)過不同角度，從而實現(xiàn)各種不同動作。如果是其他指令，比如三色RGB燈的控制，解析出三色的數(shù)據(jù)，輸出不同電壓，實現(xiàn)臉部變色功能。比如喇叭，可以播放SD卡中的音樂。

2、通信協(xié)議

為了方便手機與單片機之間、上位機與單片機之間、主機與從機之間的通信，我們定義了屬于自己的通信協(xié)議。

通信協(xié)議的基本格式為<指令,參數(shù)>。

例如動作指令<FW,5>。其中，“<”代表指令開始；指令“FW”是英文向前forward的縮寫，代表向前的命令；英文“,”把命令和參數(shù)分隔開；參數(shù)“5”代表指令FW的參數(shù)為5；“>”代表指令結(jié)束。這句話的意思就是向前走5步。其它動作指令也是類似的。

燈光顏色選擇指令由三條指令構(gòu)成，分別為<R,R的參數(shù)>，<G,G的參數(shù)>和<B,B的參數(shù)>。眾所周知，紅、綠、藍是光的三原色，通過控制紅、綠、藍的比例，就可以實現(xiàn)任意顏色的輸出。R、G、B是英文紅色red、綠色green、藍色blue的首字母，分別代表紅色、綠色和藍色。R、G、B的參數(shù)變化范圍為0-255，這樣就可以變化出1600多萬種顏色。

二、單片機選擇

為了方便大家編寫單片機的程序，我們采用的是完全開源的Arduino系列單片機。Arduino由一個歐洲開發(fā)團隊于2005年冬季為藝術(shù)生開發(fā)，所以比較簡單，容易上手。Arduino由硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)組成。下圖為常用的幾款A(yù)rduino。

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對 avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡單學(xué)習(xí)后，人人都可以快速的進行開發(fā)。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計及相應(yīng)代碼。

總之，Arduino具有跨平臺、開發(fā)簡單、開源的優(yōu)點，所以我們采用的Arduino系列單片機。

三、運動控制簡析

小π機器人有4個自由度，換句話說，小π機器人的運動主要是通過控制4個舵機來實現(xiàn)的。4個舵機在一定時間內(nèi)依次轉(zhuǎn)動不同的角度，再通過一定的排列組合，就可以實現(xiàn)前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等簡易動作和搖頭、抬腳、晃腿、彈跳等復(fù)雜的動作。

舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線。舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號，有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號。

由于一次改變PWM占空比太多，舵機轉(zhuǎn)動速度過快、轉(zhuǎn)動角度太大，會造成動作不協(xié)調(diào)、也不美觀，而且運動過快容易造成小π機器人的不平衡。所以要控制小π機器人做一個特定的動作，只能分多次控制舵機的角度，每次只轉(zhuǎn)動一點角度，延時一定時間后再次改變舵機的角度，這個延遲時間一般為幾個毫秒，這樣就可以使舵機比較平緩的轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。

四、其余硬件部分程序

1、藍牙模塊

   藍牙模塊使用的是HC-06，負(fù)責(zé)與手機之間進行通信。單片機與藍牙模塊之間的通信采用的是串口通信。波特率設(shè)置為115200，設(shè)置代碼為Serial.begin（115200）。發(fā)送<FW,5>命令代碼為Serial.println（”<FW,5>”）。

2、音頻播放模塊

  主控單片機通過模擬人按壓獨立按鍵產(chǎn)生一個脈沖信號控制藍牙音頻模塊，實現(xiàn)切換歌曲、調(diào)節(jié)音量、播放與暫停的功能。

  例如，定義播放/暫停鍵為2號端口，初始化代碼為：

  pinMode(2,OUTPUT);

  產(chǎn)生一個脈沖信號代碼為：

  digitalWrite(2,HIGH);//2號端口置為高電平

  delay(200);//延時200毫秒

  digitalWrite(2,LOW); //2號端口置為低電平

  delay(1000);//延時1秒

3、七彩LED控制

  主控單片機產(chǎn)生三個不同PWM信號實現(xiàn)對七彩LED的控制，最終達到燈光秀的效果。

PWM信號是數(shù)字方波，其中頻率是恒定的，但信號接通時間的一小部分（占空比）可以在0和100％之間變化。

4、觸摸功能

  三根觸須使用的是金屬材料，人摸觸須時，由于端口電平的改變觸發(fā)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

  中斷設(shè)置代碼如下：

  pinMode( pinInterrupt, INPUT);//設(shè)置管腳為輸入

  //Enable中斷管腳, 中斷服務(wù)程序為onChange(), 監(jiān)視引腳變化

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

5、語音互動功能

  將語音以數(shù)組的形式存到SD卡中，每次進行語音互動時，提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生音頻輸出信號，經(jīng)過濾波后通過喇叭播放相應(yīng)的語音。

6、SD卡模塊

  SD卡模塊讀寫可以采用SPI模式或者SDIO模式讀寫數(shù)據(jù)。

   SD庫允許讀取和寫入SD卡，例如在Arduino以太網(wǎng)盾上。該庫支持標(biāo)準(zhǔn)SD卡和SDHC卡上的FAT16和FAT32文件系統(tǒng)。它使用簡短的8.3名稱作為文件。傳遞給SD庫函數(shù)的文件名可以包含用正斜杠分隔的路徑，例如“directory / filename.txt”。由于工作目錄始終是SD卡的根目錄，因此無論是否包含前導(dǎo)斜杠（例如，“/file.txt”等同于“file.txt”），名稱都是指同一個文件。從版本1.0開始，該庫支持打開多個文件。

   微控制器和SD卡之間的通信使用SPI，它發(fā)生在數(shù)字引腳11,12和13（在大多數(shù)Arduino板上）或50,51和52（Arduino Mega）上。另外，必須使用另一個引腳來選擇SD卡。這可以是硬件SS引腳 - 引腳10（在大多數(shù)Arduino板上）或引腳53（在Mega上） - 或調(diào)用SD.begin（）時指定的另一個引腳。 請注意，即使您不使用硬件SS引腳，也必須將其保留為輸出或SD庫不起作用。

   這些模塊的代碼都比較簡單、網(wǎng)上也有大量的例程。需要什么程序，大家自由組合就好了。

【參考資料】

PMW：https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM

SD卡：https://www.arduino.cc/en/Reference/SD