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四轴飞行器攻略2：器件介绍（下）

由动力老男孩发表于 2011/12/04 23:50:00

首先说下现在的进度：目前已经测试了用Arduino读取陀螺仪传感器，加速度传感器，电子罗盘的读数；并且可以用Android手机通过蓝牙向Arduino发送指令；焊了一个小小的扩展板，并完成了初步的组装。接下来的主要工作是传感器读数的分析和姿态平衡算法的研究。发个近照：

组装完毕，等待编写程序的四轴飞行器

圈妈学过一点心理学，忧心忡忡的对我说“据说提前说出目标的事情就不容易成功”，所以她不建议我还没做好就发攻略。但是攻略这种东西，想写的时候没写下来，过几天就忘了。我只好用男生追mm的例子做了解释：闷骚型的男生如果被人知道了暗恋对象，有的人变得更紧张，见到mm就躲；有的人则是硬着头皮展开攻势，最终满载而归。所以公布目标没啥问题，关键是看你把它当成动力还是压力。

言归正传，下面继续介绍四轴飞行器的器件们。

陀螺仪传感器
陀螺仪传感器又称角速度传感器，它的作用是测量物体运动的角速度（废话啊）。从测量维度分，陀螺仪传感器有单轴的，双轴的和三轴的；以传输方式分，又有数字型的和模拟型的。
对于四轴飞行器，最好使用三轴传感器。因为水平方向上就已经需要测量x，y两个维度的角速度，z轴方向上的自转如果有电子指南针的话，倒是也可以省略。所以很流行的另一种方案是用两个垂直安装的单轴传感器（ENC-03MB 村田角速度传感器），价格会便宜好多。
至于数字型的还是模拟型的，初学者开始会觉得模拟型的好用，它会引出3条线，分别输出0~5V之间的电压，表示xyz三轴的加速度值。
看上去似乎相当简单，用analogRead一下就好了。
从我的实践经验看来，它的问题在于线太多！陀螺仪需要3根线，加速度又3根线，指南针再3根线….随着器件的增加，Arduino的模拟输入口完全不够用。
而数字型则简单了很多，以I2C总线为例，数据通信只需要2根线，而且很多个设备（最多支持256个设备）都是公用这两条线。反正看你愿意花力气在焊板子上还是写代码上了。对于我这样的IT民工来说，显然觉得敲代码比焊板子舒服很多，所以我最终选择的是L3G4200D三轴数字式陀螺仪传感器。

加速度传感器
加速度传感器又称重力感应器，它可以感知物体受到的重力。例如水平静止放置的重力感应器，xy方向上重力加速度都是0，z轴方向上的读数则是9.8；而倾斜放置的传感器，在xy分量上就可以读出所受的重力。和陀螺仪相比，加速度传感器测量的是绝对的“倾角”，而陀螺仪测量的是“倾角的变化速度”。
这些传感器的最终目标，就是让四轴飞行器保持平稳。有人可能觉得用重力感应器就足够了，因为它可以测量绝对角度。但是请注意的是，这个倾角必须是在物体静止或者匀速的情况下测量的，飞行器在运动过程中是测不准的。就好比闭眼蹦极的人，在失重的时候是不知道上下左右的。所以一般需要两个传感器配合，一个用来测变化量，一个用来修正误差。
加速度传感器同样分为数字型的和模拟型的，我看上的是ADXL345数字型三轴加速度传感器。

电子指南针
电子指南针也叫电子罗盘，也有人叫磁通传感器。它的原理跟指南针类似，通过测量某个截面内的磁通量大小来判断方向。它也可以是三轴的，其中垂直于南北极磁力线的那个截面会有最大的读数。这个指南针不是四轴飞行器必须的，因为平稳飞行靠前面两个传感器就够了。
但是试想一下这样的情况，我们遥控一个直升机的时候，可以看到机头的朝向，所以我们可以让他“前进/后退/左移/右移”。
而四轴飞行器是对称的，当你发出“前进”指令的时候，它并不知道你期望的是哪个方向的“前进”。
网上一种流行的方案是，给四轴飞行器的某条腿涂上鲜艳的颜色，作为“机头”，前进后退的参照系都是以它为准。但是这样就需要对遥控者有一定要求，需要能够迅速分辨方向。
我加上这个电子指南针，是希望它能和手机遥控器上的指南针对应起来，永远以遥控者的面向方向作为“前方”。当然这样会给算法带来更多的工作量，大家祝我好运吧
我最终选择的芯片是HMC5883L三轴数字型电子指南针。

其他还有一些零七八碎的东西，包括：
超声波测距传感器，用来测量离地高度；
蓝牙适配器，用来和手机通信；
洞洞板，用来组合这些传感器；
各种插针、排母、导线、开关；
机架，这个也可以自己做，现成的比较好看；

最后是某些网友非常关心的价格问题，下面的价格表仅供参考，最终还是请大家自己擦亮眼睛，货比三家。
必须提到的是一个小插曲，很多芯片的价格分为散件价格和模块价格。例如L3G4200D芯片，单买芯片据说30元就可以搞定；如果买现成的小电路板+所有电容电阻等配件，那么需要70元左右；如果这些小配件都帮你焊好的成品，大概需要160元左右。
看到这些价格之后，勤劳勇敢的圈妈大骂奸商，说要帮我焊上，省下这100块钱！结果散件回来以后我们都傻眼了，这是一种叫LGA的封装方式，花椒一样大的小芯片，肚子下面有十几根脚。而且这些脚是在芯片肚子下面，不是伸出来的！

新手焊不了的小芯片

圈妈硬着头皮焊了几下，发现基本所有的脚都连在一起了，最后弄掉了焊盘，彻底报废。所以建议新手们，如果没有专业焊接工具的话，就不要尝试省这100块钱了。

价格表（仅供参考！）
格氏11.1V2200mA25C锂电   128
B6充电器     160
郎宇A2212电机   62×4
天行者20A电调 48×4
四轴机架     88
三轴陀螺仪模块L3G4200D      160
三轴加速度ADXL345模块     50
三轴磁阻HMC5883L模块      70
蓝牙模块JY-MCU          40
超声波测距            16

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盗梦陀螺攻略2- 线圈和传感器

由动力老男孩发表于 2010/12/22 23:47:17

相信很多人看过原理图之后，和我一样信心满满，这个东西太容易做了，不就是照图焊器件嘛，一星期就可以搞定了！

真正动起手来，才知道没那么容易。第一件事就郁闷了：去哪里找线圈？在淘宝搜了一大圈也没找到合适的。铜丝直径？线圈直径？线圈高度？绕多少匝？线圈之间距离？乱七八糟的好多事情，who tama knows!

最后只能去电子城买了一公斤的铜丝回来自己绕。那时候我还不知道有“线圈骨架”这么个名词，没找到合适的东西，就自己做了几个轴。于是出现了下面这么多奇形怪状的线圈：

奇形怪状的线圈们

更奇形怪状的线圈们

细心的同学可能会发现，其中有些是带铁芯的（我分别用大螺丝和一毛钱的硬币柱当过铁芯），有些是没有铁芯的。事实证明，磁悬浮的线圈不能有铁芯！这点和我最初的直觉有点不符，因为觉得加了铁芯后磁场会更强。事实上因为我们的浮子是钕铁硼强磁，铁芯对它的吸力远大于线圈产生的磁力。也就是说，带铁芯的线圈只能产生“很大的吸力”和“更大的吸力”，没法产生“较小的吸力”和“较小的斥力”

绕线圈是一个非常痛苦的差事，我数过一个线圈平均大概是800匝左右，绕的我头昏眼花。所以后来做了一个绕线用的小东西，这就是我喜欢乐高的原因，很简单的一堆颗粒，可以拼出很多你想要的东西：

乐高制作的绕线器

用绕线器绕出的线圈们

后来买了线圈骨架，这下绕的就好看多了。对于下推式磁悬浮，一共需要4个线圈。霍尔传感器尽量放在4个线圈的中心位置，这样的好处是线圈通电时，感应的磁场在中心处几乎都互相抵消了，只有浮子的移动才会影响到传感器的读数。

霍尔传感器安装在中心位置

事实上，传感器的位置并不需要太严格。因为霍尔测量的是垂直它表面的磁通量。只要传感器的高度在线圈的高度中心，这里的磁通量都是平行与传感器的，也不会产生影响。

高度尽量居中

我的第一个版本的悬浮，传感器就是用胶布贴在侧面的中心，一样可以悬浮。缺点是浮子移动时，磁场的变化不是线性的，容易产生振动。

高度居中时，水平位置要求并不高

接线方面，互相对面的一组线圈之间反相连接。也就是说当在一对线圈两端通电时，一个会对浮子产生斥力，另一个会产生引力，正好是相反的，连推带拉才給力！

下面这个是背面的接线图，其中中心位置的是两个传感器，我把它们引出到两个杜邦头插针上，这样可以方便插拔。对面的线圈分别把相同极性的抽头焊在一起：

接线图，希望你能看懂

最后发一个关于线圈的经验小贴士，省的大家再重做无用功了：
1，产生相同的磁力，铜丝越细需要的电压越高，因为电阻比较大。我用的是0.27的铜丝，20V的电源。（用20V的原因是我有个坏掉的笔记本，利用下电源）
2，磁力的大小跟匝数关系不大，因为匝数增大的时候，电阻也增大，电流减小，产生的磁场差不多。但是匝数越多越省电。
3，四个线圈之间距离要稍大一点，浮子会更稳定，当然也别大的离谱，我的经验是线圈中心的直径和浮子直径差不多。
4，传感器的位置尽量在线圈中间，高度上也尽量放在中心的高度。
5，不要装铁芯。
6，给线头留长点，当你辛苦装上几个线圈，突然发现线头不够长的时候，会有看破红尘的感觉。

传感器安装攻略盗梦陀螺线圈阅读全文 (144,282) 52 条评论

解魔方的机器人攻略20 – 修正电机误差

由动力老男孩发表于 2010/01/18 22:01:03

在上一篇攻略中，我们使用了一些角度的配置信息，例如：

//the motor angle for paw to hold the cube
static int PawHoldPosition = 56;
//the motor angle for paw to rotate the cube
static int PawTurnOverPosition = 110;

这些用于Motor.rotate(n)的角度，都是相对于电机的原始位置而言的。在我的代码里，初始位置是这样定义的：

颜色传感器和魔方底座的初始位置

爪子的初始位置

在最初的版本里，我是在断电状态下，手动把电机拧到指定的初始位置。（程序一旦开始运行，角度信息就已经开始记录了，而且拧电机会有很大的阻力）
随后问题就来了，如果初始位置不准确的话，那么必然会导致旋转之后的位置不准确。其中最省心的是爪子的初始化位置，因为它是贴在后支架上，这个参照物非常稳定。

颜色传感器的杆很长，目测很难判断是否已经平行。魔方底座更是转十几次以后，误差越来越大。所以我们需要一段程序，把稍有偏差的初始位置纠正回来。

首先看一下如何修正魔方底座的误差。我们曾经介绍过，在魔方底座的下方安装了一个亮度传感器，当底座在某些位置的时候，会挡在亮度传感器的上面，再转过一定角度，就又把它露出来。亮度传感器有一个红色的小灯，可以通过light.setFloodlight(bool);来点亮或者关闭它。通过对比点亮和关闭前后的读数差，就可以判断出底座什么时候被挡住（在底座的下方需要贴一圈白纸，增强反光）。读数的曲线图是这样的：

读数的示意图

也就是说，随着传感器被慢慢的挡住，这个亮度差值会越来越大，理论上最大值就是被挡住的中心位置。考虑到传感器的读数是有误差的，所以不能只取一个最大值点来计算，需要设置一个阀值，把最大的N个点都找到，那么它的中心位置就比较准确了。

//Fix the position of cube base
public static void FixBasePosition() throws Exception
{
int step = 3;
int tolerance = 4;
light.setFloodlight(false);
bottom.rotate(-50);
int angle = 0, minLight = 10000;
int realtimeLight = ReadLightDifference();
while(realtimeLight < minLight + tolerance)
{
bottom.rotate(step);
realtimeLight = ReadLightDifference();
if(realtimeLight < minLight)
{
minLight = realtimeLight;
angle = 0;
}
else
{
angle += step;
}
}
bottom.rotate(- angle/2 - FixBasePositionOffset);
}

//Read the light difference between light on and light off
private static int ReadLightDifference() throws Exception
{
int l1 = 0, l2 = 0;
l1 = light.readValue();
light.setFloodlight(true);
Thread.sleep(20);
l2 = light.readValue();
light.setFloodlight(false);
return l1-l2;
}

可以测试一下，把魔方底座手动拧歪一个小角度（正负十几度^_^），运行这段代码之后，底座会还原到和爪子平行的位置。

颜色传感器的位置修正比较简单：让它慢慢的靠近魔方，在传感器下方遇到魔方之前，它的读数都是0。所以一旦发现有读数，我们让它返回32度，就回到了爪子平行的位置，这个度数通过几次实验就可以试出来。

//Fix color sensor position
  public static void FixColorSensorPosition() throws Exception
  {
   int tolerance = 5;
   ColorMotorBaseAngle = -25;
   monitor.rotateTo(ColorMotorBaseAngle);
   Thread.sleep(100);
   monitor.setSpeed(50);
   int r = color.getRawRed();
   int g = color.getRawGreen();
   int b = color.getRawBlue();
   int baseColor = r + g + b;
   int TargetExists = 0;
   while(TargetExists < baseColor + tolerance && ColorMotorBaseAngle > -50)
   {
    monitor.rotateTo(ColorMotorBaseAngle--);
    r = color.getRawRed();
    g = color.getRawGreen();
    b = color.getRawBlue();
    TargetExists = r + g + b;
   }
   monitor.rotateTo(ColorMotorBaseAngle + 32);
  }

下面也做一个实验，把颜色传感器的位置拧歪，它也能回复到指定的位置。点此下载这个例子的全部代码。实验方法为：按Left键修正魔方底座位置，按Right键修正颜色传感器位置，按Escape键退出。

时间仓促，每次贴的功能都不多，下一次介绍如何把魔方的颜色读取到数组中。

nxt 乐高传感器位置修正阅读全文 (31,130) 12 条评论

解魔方的机器人攻略12 – 安装传感器

由动力老男孩发表于 2009/12/19 22:44:02

这一节要介绍搭建结构的最后一个部分–安装各种传感器。之后我会继续发布软件部分的攻略。
正好今天有位小朋友留言问道，能不能分享源代码。我在这里统一回答一下：在这系列的攻略里，会讲到制作萝卜头所有需要的知识点和注意事项，也会逐步贴出所有源代码。但是在攻略写完之前暂时不会提供下载，因为我希望大家最终自己动手实现，这也正是DIY机器人的乐趣所在！在我制作的过程中，遇到了许多困难，你们已经不需要走太多弯路了（谁敢说我小气，我跟他急^_^）。

引用一段和菜头的话：上网以后，我们把信息当做了知识，把收藏当做了学习，把阅读当做了思考，把储存当做了掌握。像个花栗鼠在秋天收藏坚果一样，把自己的阅读器和硬盘塞满，却依旧觉得饥渴难耐。

言归正传了：