做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

上篇博客提到我企图把手机改造成小爱的遥控器，这几天终于有点眉目了。这个小车刚组装好的时候，我就接上电池试运行了一下，结果它在屋里一溜小跑，紧赶慢赶才没让它撞到东西。这就是决定做一个遥控器的原因。本着“变废为宝，物尽其能”的DIY精神，我打算利用现有的手机来改造。

说起变废为宝，老婆大人一定心情很惆怅。因为大多数情况下，我喜欢拆东西，在家里干的都是些“变宝为废”的事情。但这次绝对是废物利用。我的手机是HTC钻石2，这款手机的系统是Windows Mobile；优点是CPU强大，屏幕细腻；缺点是经常丢短信，漏电话。也就是说，这款手机作为一个手机，基本可以认为是废物点心。好，接下来开始我们的变废为宝之旅吧。

第一次做手机上的开发，这段时间真是颇费周折。下面是我尝试的几个方案，供大家参考：

最初我想用类似控制萝卜头的办法，使用蓝牙串口向PC发送数据，结果发现并不是所有蓝牙连接都具有虚拟端口的功能。可以查看蓝牙支持的功能，那个Serial Port就是乐高机器人用来通讯的。

HTC手机的蓝牙，不支持Serial Port通信

第二个方案是改用手机的WIFI功能，在PC上搭建一个网页，通过URL Request的方式向PC发送数据，非常杯具的是WIFI可以向公网IP发数据，但是不能向局域网内的笔记本发数据。经验证，我放在博客主机上的测试页面可以收到数据，虽然最终也没有成功，不过也算是进了一步。

第三次尝试又用回蓝牙，发现在ActiveSync连接模式下，手机共享的是笔记本的网络资源，这样就可以向自身发送URL Request了。经测试，数据流可以走通。正在欢欣鼓舞的时候，发现一件更杯具的事情：不知道为什么，每发送五六条数据之后，手机就像死机了一样，必须休息几分钟之后才能继续发送。这要是用来当遥控器，小爱怕早就把电视撞烂了。

接下来的几天没有什么进展，非常郁闷，以至于我经常萌生一些邪念（例如把手机扔进马桶）。事实证明最痛苦的时候往往已经接近成功了。有一天我把URL Request换成Web Service做了一次尝试，神奇的发现手机调用Web Service居然又快又不会死机。接下来的事情只能用峰回路转来形容，Web Service再通过TCP/IP协议把数据转发到一个Socket端口，一个端口监听程序再把数据通过USB发给Arduino开发板。经过这么多热心的同志，终于把鸡毛信从手机送到电机了，看看数据流图（其中WebService服务器和笔记本逻辑上是独立的，物理上是同一台电脑）：

手机遥控器的数据流图

不知道会不会被手机开发的业内人士们鄙视，不过我至少摸索了一条没人走过的曲折道路，整个流程一共需要写四个程序：
1，在手机上运行的小程序，我画了一个方向盘，用手指触摸的时候，会换算成电机速度发送给Web Service。
   开发环境是Windows Mobile 6.5，使用的语言是C#
2，Web Service程序，接受指令之后，通过TCP/IP的方式转发。使用的语言还是C#，服务器是IIS。
3，端口监听以及Arduino开发板通信的程序。一边通过监听Socket端口接受2发来的指令，一边把指令通过模拟的串口发送给Arduino开发板。使用的开发语言还是C#。
4，Aruino开发板程序，这部分是通过模拟的串口接受指令，转换成电机对应的占空比电流脉冲，从而控制小车的两个直流电机。开发环境是Arduino 0017，开发的语言怀疑是类Java（软件上面有一个咖啡杯的图标）

回头一看，发现自己真够啰嗦的，写了半天还没见到代码，赶紧给标题后面加了个“1”。先贴两个程序的截图吧，改天再把代码发上来。

手机上的程序截图

端口监听及转发程序截图

前几天肩膀可能是拉伤了，休息了几天。先回答一个朋友们比较关心的问题，那一对直流电机的扭矩差不多是30kg*cm。前几天我已经接上电源，并且压了一些重物，看上去在室内平地可以轻松带动（爬坡没有测试）。因为还没有写电机的遥控程序，所以只是用原地打转做测试。按照我的计划，笔记本电脑将会作为一个配件，安装在小爱的胸前。所以今天做了一个串口通信的小实验，将来也要通过计算机这样控制小爱的各种运动。

实验目标是：做一个小程序，通过鼠标拖拽来控制舵机的角度，计算机和Arduino实验板之间使用USB线连接。

首先看一下接线图：

舵机接线图

舵机控制的命令可以参考之前的小实验：Arduino开发板实验三（舵机控制）。先看看我们这个实验里需要用到的几个串口通信命令：

Serial.begin(9600);  //设置波特率
Serial.available();  //如果有数据传来，这个值大于0
int readValue = Serial.read();  //读取一个字节的数据

这个实验里只需要从计算机接受数据，如果需要发送数据的话，可以使用下面的命令：

Serial.print();
Serial.println();
Serial.write();
Serial.flush();

具体的用法可以去Arduino的官网上查看: http://arduino.cc/en/Reference/Serial

在Arduino端的程序如下：

void loop()
{
  while (Serial.available() > 0)
  {
    //读取计算机发送的角度值
    readValue = Serial.read();
  }
  //发送50个脉冲
  for(int i=0;i<50;i++)
  {
     //引用脉冲函数
     servopulse(readValue);
  }
}

计算机端的程序使用C#编写，Arduino使用USB连接计算机以后，其实也被映射到一个端口，所以连接的方法和蓝牙连接类似，可以参考萝卜头的蓝牙通讯部分。

下面是小程序的界面：

计算机上运行的小程序

创建一个从0到180的轨道条（TrackBar，也有人叫它滑尺），当滑尺位置变换时，就把设置的角度发送到指定的端口上。代码如下：

        private void AngleTrack_Scroll(object sender, EventArgs e)
        {
            ReadValue.Text = AngleTrack.Value.ToString();
            if (serialConn != null && serialConn.IsOpen)
            {
                BlueToothDataSend(new byte[] { Convert.ToByte(ReadValue.Text) });
            }
        }

        private SerialPort serialConn;
        private void ConnectButton_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            serialConn = new SerialPort();
            ConnectButton.Enabled = false;
            serialConn.PortName = PortNumber.Text;
            serialConn.Open();
            serialConn.ReadTimeout = 10000;
        }

        private void BlueToothDataSend(byte[] data)
        {
            int length = data.Length;
            byte[] readData = new byte[length + 2];
            readData[0] = (byte)(length % 255);
            readData[1] = (byte)(length / 255);
            for (int i = 0; i < length; i++)
            {
                readData[i + 2] = data[i];
            }
            serialConn.Write(readData, 0, length + 2);
        }

实验结果：拖动轨道条可以实现对舵机的控制，但是在0~30和150~180的区间，舵机是不动的；在30~150区间，舵机基本能按照鼠标拖动的角度旋转。结果表示串口通信成功了，但同时也说明这个舵机的实际转角只能达到120度左右，并且控制并不是特别精确。这意味着将来做机械臂的时候，可能会有很大的误差。头大中…..早知道就选步进电机了，不过一口吃不成胖子，慢慢来吧，硬件的误差可以通过软件来弥补。

经常玩NXT的朋友肯定对NXT的电机印象深刻，使用非常方便。转速，角度和方向都可以随意控制。

在计划制作小爱的时候，我也一直希望能找到这样的电机。查了一些资料，觉得比较容易控制的有舵机和步进电机。舵机的主要玩家是船模和航模的爱好者们。大海航行靠舵手，舵机就是用来控制舵角的，它的最大特点是可以方便的控制角度，它的限制是舵角一般不超过180度。步进电机就强多了，既可以控制角度，还可以连续旋转，它的问题是输出就是一个光轴，需要加工配套的零件才能使用，另外价格好像会更贵一点。

我计划用舵机来实现小爱的机械臂，最主要的考虑原因是舵机自带很多舵角之类的配件，比较容易安装，毕竟机械加工是制作过程中最麻烦的部分。另外，一般机械臂的关节转角也不需要大于180度，用舵机就足够了。下面是使用Arduino开发板控制舵机的一个小实验。

先抄一段说明：舵机，又称伺服马达，是一种具有闭环控制系统的机电结构。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由控制器发出PWM（脉冲宽度调制）信号给舵机，经电路板上的IC处理后计算出转动方向，再驱动无核心马达转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器（电位器）返回位置信号，判断是否已经到达设定位置，一般舵机只能旋转180度。

舵机结构图

舵机有3根线，棕色为地，红色为电源正，橙色为信号线，但不同牌子的舵机，线的颜色可能不同，请大家注意。

舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

舵机角度和占空比的关系

 下面这个小实验的目标是用电位器控制舵机的角度，正好在前一个实验里，电位器都还没有拆掉。需要特别注意的是供电部分，舵机转动时电流会比较大，Arduino上的电源芯片可能会因过流保护到发热而损坏，电源需要接到外部供电，切不可使用USB供电。
舵机的棕色线接GND，红色线接VIN（我猜这个是直接连到外接电源的正极），黄色是数据线，接在PWM的7号管脚。电位器的连接稍微有点变换，因为管脚们施展不开，我把正极连在3.3V的接口上，这样模拟输入的范围就变成了0到660左右。前面说了，舵机分别用0.5ms到2.5ms之间的脉冲来对应0到180度左右的角度，我们可以用pulsewidth=(angle*11)+500这样的公式，把0到180度的转角映射到500到2480的脉冲时间。

接线图

下面看代码：

int readPin = 6;   //用来连接电位器
int servopin = 7;    //定义舵机接口数字接口7

void servopulse(int angle)//定义一个脉冲函数
{
  int pulsewidth=(angle*11)+500;  //将角度转化为500-2480的脉宽值
  digitalWrite(servopin,HIGH);    //将舵机接口电平至高
  delayMicroseconds(pulsewidth);  //延时脉宽值的微秒数
  digitalWrite(servopin,LOW);     //将舵机接口电平至低
  delayMicroseconds(20000-pulsewidth);
}

void setup()
{
   pinMode(servopin,OUTPUT);//设定舵机接口为输出接口
}

void loop()
{
  //读取电位器（传感器）的读数，接到3.3V，值范围从0到660左右
  int readValue = analogRead(readPin);
  //把值的范围映射到0到165左右
  int angle = readValue / 4;
  //发送50个脉冲
  for(int i=0;i<50;i++)
  {
     //引用脉冲函数
     servopulse(angle);
  }
}

实验结果：当旋转电位器的时候，舵机的角度随之改变。不过最终转角并没有达到180度，在某些范围内，电位器旋转时，舵机没有转动。网上舵机的说明也提到了这点，识别的角度范围是有限的。具体的有效角度范围，我还没有测量，等将来开始制作的时候再说。

在上一个Arduino小实验里，我们尝试了用开发板来读写数字信号（0和1），貌似非常简单，难度系数跟吃苹果差不多。昨天淘宝的直流电机控制板终于送到了，接下来这个实验准备测试读写模拟信号。这个实验难度系数稍大一点，达到了吃香蕉的程度，搞不定的同学请去动物园请教猴子兄弟（开个玩笑，但是Arduino的确非常好开发）

我计划的实验目标是：
1，使用电位器控制直流电机的转速
2，使用开关控制直流电机的旋转方向

模拟输入

查了下资料，许多单片机的管脚电压都是+5V或0V，分别对应1和0。而机器人面对的自然界却没有这么泾渭分明，例如大气温度，到墙壁的距离，声音的强度等等，这些值就是模拟值。Arduino开发板上，标记了“Analog In”的16个管脚，就是用来测量模拟值输入的。这些输入电压的范围是0~+5V，开发板会把它映射到0~1023的整数。从这个数值范围，我们可以估算出Arduino能识别的电压精度大概是5mV，小于这个范围的变换无法识别。

电位器

这个东西是从邻居小朋友那里骗来的。在我读高中的时候，好像把这个东西叫滑动变阻器，个头很大。现在都是小小的旋转电位器了，原理图应该是一样的：

电位器

接线方式是两端分别接GND和+5V，中间随意接在一个Analog In的管脚上。我选择了一个大吉大利的6号。

电位器接线

读取模拟电压值的函数为：

int readValue = analogRead(readPin);

用端口监视器做个分解实验，使用Serial.println命令把readValue显示在电脑上，和想象中的结果完全一样。端口读写部分准备做为下一个实验主题，这里就不细说了：

端口监视

PWM输出

作为一个外行，我之前曾经想过怎么让单片机输出一个模拟值。觉得必须用10个管脚，对应的二进制从0~1023，然后找一个数模转换的东西变成模拟电压值。结果一看资料发现自己太圭了，原来有一种叫做占空比的东西，只用一个管脚就可以输出0~255的数值。从这里也了解到嵌入式常用的一个叫“时序”的东西，以后应该会经常遇到，这种方式可以用很少的管脚实现非常复杂的功能（估计业内人士又要鄙夷的飘过了）。看下面的图解，从Arduino官网顺来的：

PWM模拟输出

板子上标注了“PWM”的区域就是管脚均可以用于这种输出。使用的函数是：

analogWrite(pin, value);

注意value值的范围是0~255。

直流电机控制板

这个控制板的功能是把PWM的输出，转换成真正的模拟电压值，从而控制直流电机旋转。电机的种类很多，还有舵机，步进电机等等，控制方式都不一样，那些以后再试。先看一下这个板子的介绍，也是一个顺手牵来的图：

直流电机控制板

这个图里信息太多了，咱们捞干的讲几个：
1，左右两边是对称的，可以控制两个直流电机，咱们下面只看左边
2，绿色的“直流电机A接口”，用于接电机的两根电源线
3，直流电机A信号输入接口，一共有3个脚，分别是I1,I2和EA。其中I1和I2是数字接口，用于控制开关和方向，EA是模拟接口，用于控制转速
例如：I1=1,I2=0顺时针转，I1=0,I2=1就逆时针转，I1=I2的时候，停止转动。EA是0~255的PWM值，对应从小到大的转速
4，最下面的VMS接电源正极，GND接地，边上还有一个+5V，不用管它，本来是由它给逻辑电路供电的，但是默认情况下，是通过DUAL那个跳线帽由VMS搭车送电。

看看最终的接线图，专业人士一般用面包板之类的东西实验，我就直接把铜丝拧上了，请大家不要效仿：

接线图

接下来是写代码，一共也没几行，大家看注释吧：
注意：我发现Analog输入区编号是0~15，PWM输出区也有0~13，为了验证这两类管脚编号会不会冲突，我特地把readPin和speedPin都设置成了大吉大利的6号。事实证明两者不冲突。

int readPin = 6;    //用来连接电位器
int buttonPin = 38; //用来连接开关，这次用了个吉利的端口号
int i1Pin = 31;     //连接电机驱动板的I1接口
int i2Pin = 30;     //连接电机驱动板的I2接口
int speedPin = 6;   //连接电机驱动板的EA接口

void setup()
{
  pinMode(buttonPin, INPUT);  //开关用于输入
  pinMode(i1Pin, OUTPUT);     //I1和I2都是数字信号
  pinMode(i2Pin, OUTPUT);     //通过设置I1和I2来控制电机旋转方向
  pinMode(speedPin, OUTPUT);  //按占空比方式输出的模拟信号
  digitalWrite(buttonPin, HIGH);  //设置上拉电阻
}

void loop()
{
  //读取按钮状态
  boolean buttonPressed = digitalRead(buttonPin);
  //设置转动方向，I1和I2值相反时，分别对应两种不同的转向；I1和I2值相同时停止转动
  digitalWrite(i1Pin, buttonPressed);
  digitalWrite(i2Pin, !buttonPressed);
  //读取电位器（传感器）的读数，值范围从0到1023
  int readValue = analogRead(readPin);
  //PMW的值范围是0~255
  readValue/=4;
  //设置转速
  analogWrite(speedPin, readValue);
  delay(500);
}

上传程序以后，旋转电位计，可以看到电机的转速不断变化着；掰一下开关，电机就会反转，实验到此顺利结束。

感谢 lifanxi 和 galaxy 两位同学对昨天实验一的讨论。经过补充实验，事实证明galaxy的看法是对的。当PinMode是INPUT时，digitalWrite(pin, HIGH)实际上是用来设置上拉电阻，所以只需要在setup中设置一次即可。

代码如下：

int ledPin=13;
int buttonPin=44;

void setup()
{
 pinMode(ledPin, OUTPUT);
 pinMode(buttonPin, INPUT);
 digitalWrite(buttonPin, HIGH);
}

void loop()
{
 //这一行移到上面的setup中
 //digitalWrite(buttonPin, HIGH);
 digitalWrite(ledPin, digitalRead(buttonPin));
 delay(100);
}

因为我的外部电路连接的GND，所以没法测试下拉电阻。
做完实验我又看了一个教程，发现我的这个实验非常粗暴，“是烧毁单片机的最佳途径”。因为44脚置1后的电压是+5V，我直接用一个开关把它接地了。还好单片机已经有内置的上拉电阻，否则的话这个板子可能就废了（软件开发经常提到的一个术语是“冒烟测试”，看来就是用于检查这种低级错误）。下面这个图是专业人士推荐的接线方式：

接线方式

这样接线的好处是，任意两个可能存在电压差的管脚之间，都至少存在一个电阻，就不容易烧板子了。我现在手头没有空的电阻，就不重复这个实验了。有兴趣的同学可以点此看原文教程。

最近有很多朋友关心小爱的进展，真是非常感谢。这段时间我主要在研究小爱的制作方案，大致的工作分为几个部分：机械设计，电子电路，嵌入式开发和人工智能几个部分。

为了确定最终的方案，我最近总在淘宝上晃悠，劲头跟美女购物狂们逛商场有一拼。前一段时间无意中看到了一个叫Arduino的东西，貌似还挺好用，暂定以这个板子为基础来开发电子电路和嵌入式的部分。我以前没有接触过嵌入式开发，如果路过的朋友有更好的方案，请一定要吱一声，谢谢

昨天淘宝的Arduino板子终于到了，型号是Arduino MEGA ATmega1280-16AU AVR（完全不清楚不同型号之间有什么区别），秀一下样子：

Arduino 开发板

今天进行了第一个小实验，跟大家分享一下。实验的目的是实现一个简单的功能，外接一个开关，通过打开或者关闭开关，来控制一个小灯的亮和灭。
电子专业的老婆冷笑飘过，这个实验太简单了吧，用传统电路甚至更简单，一个开关直接切断电路即可（传说中的手电筒）。不过我通过这个小实验了解了一个重要信息：原来嵌入式开发可以直接对CPU的管脚直接进行读写，0就是低电压，1就是高电压。以前一直使用高级语言，读CPU的某个脚电压貌似非常遥远。

第一步：到Arduino官网下载Arduino开发IDE和相关驱动
下载完一看，这个软件是绿色的，并且绿的相当彻底，里面还包含了板子的驱动，双击打开就可以使用，我在Windows7，Server2008以及Vista下都用的挺好。

第二步：用USB线连接Arduino板子和电脑，发现驱动可以被自动识别，然后添加了一个USB UART的设备。查看一下这个设备的COM端口号，后面需要用到：

查看COM端口号

第三步：
双击运行arduino.exe，第一次使用前，需要设置设备端口号和板子的型号，看下面的抓图：

设置主板型号，我这个是Mega

选择刚才看到的端口号

第四步：接线
为了做这个小实验，我还真拆了家里一个手电筒（真是败家）。文档里说开发板有个LED小灯接在13号管脚，据说术语叫做Pin13，所以就不需要外接小灯了。开关的两个脚一个接地（GND），另一个随便接某个管脚。考虑到13这个数字不吉利，我特地选了一个44号管脚避个邪。看下图：

接了个开关，红色灯是13号LED

第五步：写代码

int ledPin=13;
int buttonPin=44;

void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(buttonPin, HIGH);
  digitalWrite(ledPin, digitalRead(buttonPin));
  delay(100);
}

经常搞windows软件开发的朋友可能有点迷糊，这个程序入口在哪里，出口在哪里？事实上这个程序是被Arduino的IDE封装了，它的规则就是先定义几个变量，然后在setup里做几个设置，最后就孜孜不倦的反复跑loop里面的程序。我猜想应该有些中断机制来执行一些特殊处理，这个以后再慢慢学。看来单片机的程序通电以后就没打算让它歇着，高级语言的程序员需要适应一下。
接下来的程序就很好解释了：
pinMode 用于设置管脚的用途，输入还是输出
digitalWrite 用于把某个管脚的电压设置成High还是LOW
digitalRead 用于读取某个管脚的电压状态，返回的也是HIGH或LOW

有一句 digitalWrite(buttonPin, HIGH); 需要解释一下。我希望44号管脚当开关打开时是1，开关闭合是是0。但是请注意第一次闭合以后，这个管脚电压降到0，它不会自动升到1。为了让下次开关打开的时候管脚电压置1，我在每次循环前都给它设置初始值1。画了一个非常丑的电路图：

电路图

第六步，编译并上传代码

用IDE中的Verify来编译代码，然后用Upload上传。选的44号辟邪管脚果然有效，代码直接编译通过上传成功（真相是确实太简单了）。结果就不给大家贴图了，没啥好看的。不过好人做到底，虽然Arduino的IDE按钮都有提示，我还是画了个说明：

Arduino 0017的菜单

总结：这虽然是个很简单的实验，但是对于一个像我这样没有接触过嵌入式的程序员来说，还是有很多的知识点。我相信有很多和我一样的人，想做机器人但是觉得无从下手，希望这些学习经验有所帮助。高手们就请优雅的飘过吧