從對機器人感興趣開始，買了一堆書，也看了很多資料，決定先從最簡單的車輪機器人開始做。普通電腦雖然強大，但是不能直接采集外界環(huán)境的物理數(shù)據(jù)，也不能直接控制電機。查找了下，雖然可以直接在電腦上接USB接口的數(shù)據(jù)采集器用于采集傳感器的數(shù)據(jù)，也可以使用PCI的電機控制卡來驅動各種電機，不過成本有些高，暫時不考慮了。找了一圈，發(fā)現(xiàn)還是單片機方案廉價，順便可以學習下單片機控制和作一些電路實驗。于是最終決定實驗方案采用單片機來做了。
零件
下面是采購的零件：
8位單片機Atmega168開發(fā)板。
電路面包板和連線
用于驅動車輪的兩個減速電機。沒有找到合適的齒輪，自己也沒有加工設備，圖簡單，所以直接用集成減速齒輪的電機代替了。
距離傳感器，作為機器人的主要傳感器，用來探測障礙物的距離。使用的是常用的紅外距離傳感器作為機器人的眼睛。
舵機，用來控制機器人“眼睛”的方向。
一堆零件：
下一步就可以驗證簡單的功能了
實驗
接下來先搞清楚怎么用單片機。
Hello world
先讓單片機跑起來再說。習慣了操作系統(tǒng)下編程，第一次用單片機還真有些不習慣，擔心遇到問題，不過比較順利。這個程序用來點亮單片機上的一個LED。
代碼：
intledPin=13;//LEDconnectedtodigitalpin13voidsetup(){pinMode(ledPin,OUTPUT);//setsthedigitalpinasoutput}
voidloop()
{digitalWrite(ledPin,HIGH);//setstheLEDondelay(1000);//waitsforaseconddigitalWrite(ledPin,LOW);//setstheLEDoffdelay(1000);//waitsforasecond}
以間隔1000ms的時間把單片機的第13個Pin腳循環(huán)輸出高低電平，從而達到點亮和熄滅LED功能。很簡單，就是驗證下單片機是否可用。
控制舵機
舵機就是遙控模型上用來控制的，其實就是一個帶閉環(huán)控制的電機，能轉動到指定的角度。
工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。
最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。
在程序中控制舵機的轉動角度，就是生成不同脈寬的PWM就行了。
上面的代碼簡單的生成一個PWM驅動舵機旋轉，比較簡單。代碼中用delay來實現(xiàn)延時，如果是同時控制多個舵機，用這樣的代碼是不行的，需要自己計算時間。因為用delay整個單片機都“休息”了，無法執(zhí)行任何代碼。在實際實現(xiàn)中，還需要不斷的讀取傳感器輸入和進行其他處理。
紅外距離傳感器
傳感器介紹：
SHARP紅外距離傳感器，用于模型或機器人制作，可以用來測量距離。每個模塊贈送一根15cm長PH2.0的單頭排線.
技術規(guī)格：
探測距離：10-80cm
工作電壓：4-5.5V
標準電流消耗：33-50mA
輸出量：模擬量輸出，輸出電壓和探測距離成比例
接好電源，把模擬信號輸出端接在單片機的模擬輸入Pin就行了。
測試代碼：
intpotPin=2;
intledPin=13;
intval=0;
voidsetup(){
pinMode(ledPin,OUTPUT);
}
voidloop(){
val=analogRead(potPin);
digitalWrite(ledPin,HIGH);
delay(val);
digitalWrite(ledPin,LOW);
delay(val);
}
運行結果，led隨著傳感器距離的變化閃爍間隔也隨著變化。
控制電機
常用的直流電機使用L293D來控制，使用H293的電路如下：
不過在驗證是發(fā)現(xiàn)，對于小電機，直接用單片機的PWM端子來輸出不同電壓的來控制速度也是可行的，雖然不太精確，但是對于實現(xiàn)運動特征是足夠了。單片機無法輸出真正的線性模擬電壓，PWM是通過調整空占比間隔來模擬不同電壓值的。
測量了電機在空載和負載情況下電流都只有幾十毫安，所以先采取這種簡單的辦法驗證。
直接把電機接到單片機的Gnd和PWMPin9接口，然后在程序中直接向Pin9輸出就可以讓電機運轉了。
intvalue=0;intledpin=9;voidsetup(){//nothingforsetup}voidloop(){for(value=0;value<=255;value+=5){analogWrite(ledpin,value);delay(30);}for(value=255;value>=0;value-=5){analogWrite(ledpin,value);delay(30);}}
上面的程序用不同的輸出值驅動電機，可以看到電機的旋轉效果。
單片機和主要部件的驗證基本就完成了，下一步要開始程序設計了。
軟件設計思路在進行代碼編寫之前，想找到一種簡介的實現(xiàn)低級智能機器人的方式。目前的工業(yè)機器人采用的是精確控制的方法，在程序中固化每種處理邏輯。用程序員的思維來完成對機器人的操作。
對于程序員來說，機器人無非就是外接了物理傳感輸入和運動控制輸出的一臺電腦，不管是64位多核CPU或者8位單片機，只是性能的不同而已。理論上，都能通過程序設計來達到預定的目標。如果按照計算機上的普通程序來設計，那么大量的功能代碼會相互耦合，每次為了增加一個新的運動功能或者任務，都需要編制新的代碼，而新的代碼給原來的環(huán)路反饋系統(tǒng)帶來新的邏輯分支，所有的步驟都得經(jīng)過程序員的驗證和設計。這樣的設計對于精確計算的PC程序或者擅長固定場景精確動作的工業(yè)機器人來說，都沒有問題。但是對于這里要實現(xiàn)的“小強一號”機器人，是處在一個動態(tài)的變化環(huán)境當中，如果按照傳統(tǒng)的軟件設計邏輯，會存在大量耦合的邏輯分支，導致程序擴展性很差。舉例來說，為了完成一個沿墻壁行走的功能，必須對各種傳感器輸入情況進行判斷，然后做出預置的動作序列。
如果要執(zhí)行的動作和需要判斷的情況很多，那么程序邏輯分支就比較復雜，擴展性也比較差，有沒有更好的適合機器人軟件設計的方法呢？
換一種思維來思考的話，我們要做的不是電腦程序，只是一個實驗機器人。這個實驗機器人能做到自然界昆蟲級的“智能”就很不錯了。試想，一只螞蟻，一只蟑螂會去思考這么復雜的邏輯分支嗎？去考慮各種情況下應該采取的動作?不太可能。我們用了復雜的想法去解決簡單的事情。
機器人和計算機的主要區(qū)別在于，計算機是按照預先規(guī)劃的指令運行，而機器人需要根據(jù)變化的環(huán)境選擇合適動作。我們首先可以簡化動作模型，我把機器人的執(zhí)行任務分成3個層次：任務-》行為-》動作
任務——機器人完成的一個期望目標，比如“在一個范圍內(nèi)收集地面上的垃圾”可以界定為一個機器人的任務。
行為——行為是對任務的分解，行為是機器人根據(jù)環(huán)境變化選擇要做什么。比如碰到墻壁需要進行躲避。電源不足需要充電，就可以劃分為一個行為。
動作——機器人最終控制電機等輸出設備做出的動作，比如前進，后退，轉彎。轉動攝像頭都可以劃分成一個動作單元。
說明：任務由一系列的行為構成；行為有一個或者多個動作組成，動作是立即執(zhí)行的最小單元。在任意一個時刻，只有一個動作可以得到執(zhí)行。
軟件實現(xiàn)的對象就是分解出簡單的行為，針對每個行為單獨實現(xiàn)，互相之間無干涉、無耦合。當多個行為要輸出互相矛盾的動作時，通過一個行為優(yōu)先級表來決定優(yōu)先級高的行為來做出動作。在這個思路中，參考了基于行為編程的理論，關于詳細的基于行為編程的描述，可以在網(wǎng)上搜索“Behavior-basedrobotics”。
通過這種設計思路，可以實現(xiàn)對動物反射特性的模擬，不需要把精力放在復雜的邏輯處理上，只需要根據(jù)分解出的基本行為實現(xiàn)一個一個小的行為單元。每個行為單元只關心自己的傳感輸入和需要輸出的控制動作就行了。確定了設計思路，下一部分開始針對小強一號來設計軟件了。
參考資料，有興趣的可以閱讀：
如果需要增加其他更加復雜的智能，那么只需要增加對應的行為單元就行了，不用修改已有的邏輯結構。每個行為單元只需要處理自己關心的傳感器和需要控制的動作執(zhí)行部分。這種方式的好處就是程序邏輯變得非常簡單，功能單元之間不會存在互相影響的弊端。
下面的代碼是“巡航”行為：
classBhCruis:publicBehavior
{
public:
public:
BhCruis(constchar*name):Behavior(name){
};
BhCruis();
voidRun();
voidSetup();
};
voidBhCruis::Setup(){
}
voidBhCruis::Run(){
intbid=GetId();
GO_speed_left[bid]=255;
GO_speed_right[bid]=255;
GT_beh_action[ACTION_TYPE_MOTOR][bid]=true;
}
上面的代碼很簡單，就是讓兩個電機以同樣的速度暈裝，其他都不用考慮。對于某些行為，需要引入稍微復雜一些的處理，比如發(fā)現(xiàn)障礙物，首先要停下來，然后判斷是應該往左還是往右，做出決定之后，再進行具體的動作。針對這種不能在一個時刻完成，要經(jīng)過幾個不同的狀態(tài)才能處理完成的行為，可以用狀態(tài)機來解決。下圖是“逃離”行為的狀態(tài)機：
對于行為實現(xiàn)自己的狀態(tài)機，在行為實現(xiàn)的代碼內(nèi)部實現(xiàn)，而不影響其他行為。這種結構可以讓每個行為子關心自己的實現(xiàn)方式，從而最大的降低軟件復雜度，方便功能添加和修改。逃離行為狀態(tài)機實現(xiàn)原型代碼：
voidBhEscape::Run(){
intbid=GetId();
//狀態(tài)機實現(xiàn)
switch(state){
case0://前方距離過小
if(GI_distance[DISTANCE_FORWORD]<30){
GO_speed_left[bid]=0;
GO_speed_right[bid]=0;
GT_beh_action[ACTION_TYPE_MOTOR][bid]=true;
timestart=millis();
state++;//狀態(tài)變化
}else{
GT_beh_action[ACTION_TYPE_MOTOR][bid]=false;
}
break;
case1://觀察左右距離
if(millis()-timestart>1000){
GO_eyeAngle[bid]=0;
GT_beh_action[ACTION_TYPE_HEAD][bid]=true;
timestart=millis();
state++;
}
case2://觀察左右距離
if(millis()-timestart>1000){
GO_eyeAngle[bid]=180;
GT_beh_action[ACTION_TYPE_HEAD][bid]=true;
timestart=millis();
state++;
}
case3://決定往哪邊轉彎
if(millis()-timestart>1000){
GO_eyeAngle[bid]=Angle_Center_90;
GT_beh_action[ACTION_TYPE_HEAD][bid]=true;
if(GI_distance[DISTANCE_LEFT_1]>GI_distance[DISTANCE_RIGHT_1]){
//左轉
GO_speed_left[bid]=0;
GO_speed_right[bid]=255;
}else{
//右轉
GO_speed_left[bid]=255;
GO_speed_right[bid]=0;
}
GT_beh_action[ACTION_TYPE_MOTOR][bid]=true;
state=0;
Delay(2000);
}
default:
break;
}
}
這種基于行為單元的實現(xiàn)方法比較類似生物的反射行為，完整的代碼在下載專區(qū)進行下載。完成了基本的代碼，下一部分需要構建機器人的機構和測試了。
結構和測試實驗機器人的結構就地取材，用了一個拼裝玩具小車的零件，如下圖：
為了安裝電機和傳感器，重新拼裝了下，變成這個樣子：
有了基本的結構，可以測試功能了，驗證功能是否正常。
功能測試完成，放到地上實際跑一下：
有點好玩，基本達到可以巡航和壁障的功能，不過功能太過于簡單，只能相當于一個玩具。
(審核編輯: 小王子)
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