做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

前几天有几个小朋友给我发邮件，说是打算自己动手设计电路和机械结构来制作魔方机器人，其中提到了用步进电机来旋转魔方。

说来惭愧，电子电路和嵌入式我还真是门外汉，连步进电机都没玩过。看他们如火如荼的进展着，我也心痒痒的，迅速在淘宝上订了一个步进电机。这几天查了点资料，总算对步进电机有了一点了解。

想起给小爱选电机的时候，发现电机的种类真不少，常见的有：直流电机，舵机，步进电机和伺服电机。这是按原理分类的，如果考虑一些附件的话，又有减速电机，直线电机等等，看的我眼花缭乱。这里稍微总结一下，以供跟我一样的初学者参考。

直流电机
小时候经常拆东西的破坏大王们，最熟悉的就是这种电机了，刮胡刀玩具车里都有这个。只有两根线，通过电压来调节转速，把电池反过来接，电机就反向旋转。破坏力更强的一定也知道，里面一般会有电刷和几个转子，还有两块永磁铁，原理就不介绍了。
优点：控制简单，还没学物理的时候就知道怎么玩了
缺点：不能精确的控制旋转角度和速度

舵机
现在终于明白这种电机为什么叫舵机了。大海航行靠舵手，舵机一般用来控制角度，所以经常用来航模和船模上。这种电机内部其实也是普通的直流电机，区别在于加上了一个小电路，用一个电位器（模拟型舵机）来读取电机的当前转角，并不断的调节直流电机两端的电压来让这个转角维持在设定值。一般来说，舵机都会带一个齿轮箱，用来提高精度和扭力。
优点：可以精确控制角度
缺点：角度范围有限，一般小于180度，不能连续旋转，不能设置速度

步进电机
从名字就可以看出来，步进电机是“一步一步”旋转的。例如我买的电机步距角是1.8度，按照指定的时序发送脉冲信号，每收到一个脉冲电机就旋转1.8度。你想让电机转5度？抱歉，这是不行滴，换一个不同步距角的型号吧。另外，通过控制发脉冲的频率，就可以控制步进电机的转速了。哇，角度和速度都可以控制，这下貌似完美了。先别激动，因为步进电机是一个开环系统（简单的说就是无反馈），很可能会发生失步或者越步的现象。当脉冲发的太快或者负载太大的时候，电机还没反应过来，下一个脉冲就到了，这就失步了；当电机带动的转子惯性很大时，脉冲停止后，转子可能还会继续转动，这就是越步了。
优点：角度和速度都可以控制
缺点：失步或越步

伺服电机
完美的电机终于出现了，给步进电机加上伺服电路，检测它是否转到了指定的角度，这就是伺服电机了。一般是靠电机屁股上的一种编码器来读取角度，这玩意儿据说非常精确，当然，这个东西如果价格再便宜点就真的完美了。
优点：角度和速度都可以精确控制
缺点：价格高，控制最复杂
值得一提的是，乐高的NXT系列，用的就是伺服电机，加上开发API接口后，控制非常方便！

对于以上几种电机，如果想用程序控制的话，都需要加上控制器和驱动器。其中控制器一般可以用单片机，相当于发送时序指令给电机。对于小功率的电机，其实用控制器就可以带动了。但是对于功率较大的电机，就需要加上驱动器。驱动器可以简单理解为功率放大器，接受控制器的信号，然后输出大电流给电机。

另外两个概念：减速电机是通过齿轮箱或蜗杆给电机减速，用来提高扭矩；直线电机是通过丝杠，把电机的转动变成丝杠的平动，一般用来做推杆。

倒腾了一晚上，终于用我的Arduino开发板实现步进电机正转和反转了。之前在小爱成长记里写过直流电机和舵机的控制，周末整理一下，把步进电机的控制也加上。至于伺服电机，等以后用的上的时候再研究吧

现在我们的工作已经接近尾声了，看看怎么把电脑变成一个NXT的蓝牙遥控器。这个部分大家其实可以自由发挥，我设计的数据通讯流程是这样的：

1，蓝牙连接成功
2，NXT扫描魔方，发送6个面，每个面9块共54组颜色数据到电脑
3，NXT发送一个字节（0xFF）到电脑，表示颜色读取完毕
4，电脑开始计算解法，得到解魔方的步骤，一共N步
5，电脑发送一个字节N到NXT
6，NXT进行从1到N的循环，每次发送一个字节n到电脑，请求第n步操作
7，电脑发送第n步操作给NXT
8，NXT执行完全部N个操作，发送一个字节(0xFE)到电脑，通知解魔方完成
9，电脑清空步骤和颜色数组，准备迎接下一次任务
10，按下Escape按钮，NXT发送三个(0XFF)给电脑，关闭蓝牙连接并退出

同学们松了一口气，核心算法都搞定了，这点任务算啥，准备十分钟交卷吧。。。。

且慢，我们得到的步骤是类似F1 U2 F2 D3 L2 D1 F1 U3 L2 D1这样的序列，但是萝卜头永远只能旋转最下面一层，怎么办？

这个也简单，把相应的面翻到底面就好了，毕竟萝卜头的胳膊也不是个摆设。

问题又来了，第一步F1时，把F变成了底面；这时候魔方已经经过了某些翻转操作，那么第二步U2该转哪一面呢？这下有点麻烦了…

如果每次都还原到原来的位置，会增加非常多的步骤。

最好的方法是每次都通过最近的路径把需要旋转的面翻到最底层，然后旋转它。

所以我们需要保存一个坐标系，在翻转魔方的时候，让这个坐标系永远跟魔方的真实位置同步，请看CenterColor类，用来记录六个面的中心位置：

public class CubeCenter
{
    public string[] CenterColor = new string[6] { "U", "R", "D", "L", "F", "B" };

    public void RotateBottom(bool colockwise)
    {
        if (colockwise)
        {
            string n = CenterColor[5];
            CenterColor[5] = CenterColor[1];
            CenterColor[1] = CenterColor[4];
            CenterColor[4] = CenterColor[3];
            CenterColor[3] = n;
        }
        else
        {
            string n = CenterColor[5];
            CenterColor[5] = CenterColor[3];
            CenterColor[3] = CenterColor[4];
            CenterColor[4] = CenterColor[1];
            CenterColor[1] = n;
        }
    }

    public void RotatePaw()
    {
        //Only can move forward
        string n = CenterColor[0];
        CenterColor[0] = CenterColor[3];
        CenterColor[3] = CenterColor[2];
        CenterColor[2] = CenterColor[1];
        CenterColor[1] = n;
    }

    public int FindCenter(string position)
    {
        int center = -1;
        for (int i = 0; i < 6; i++)
        {
            if (CenterColor[i] == position) center = i;
        }
        return center;
    }
}

有了这个参考坐标系，我们就可以把URDLFB表示法的解魔方步骤，转化成萝卜头能识别的PBS表示法。嗯，不用去Google搜索，这个PBS表示法是我发明的（也就是瞎编的^_^ ），它表示
P: Paw 爪子翻动一次
B：RotateBottom 从底面旋转魔方，后面需要接一个1~3的数字
S：RotateBottomSide 旋转魔方的底面，跟B的区别是这时候爪子抓住上两层，然后旋转底面

下面这段代码描述了从URDLFB操作到PBS操作的转换：

int findSidePosition = CenterStatus.FindCenter(targetSide);

//Rotate to corrent bottom
switch (findSidePosition)
{
    case 2:
        //Do Nothing
        break;
    case 1:
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 0:
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 3:
        CenterStatus.RotateBottom(true);
        CenterStatus.RotateBottom(true);
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottom, 2));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 4:
        CenterStatus.RotateBottom(true);
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottom, 1));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 5:
        CenterStatus.RotateBottom(false);
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottom, 3));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
}
Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottomSide, Convert.ToInt32(rotateCount)));
Steps[Steps.Count - 1].OrginStep = currentStep;

下面是一个PBS表示法的步骤示例，基本上一个URDLFB旋转操作，会对应1~3个PBS操作：
P B3 P S2 B1 P S1

为了减少发送的数据量，我们用下面的规则来发送PBS表示法的步骤，每个步骤用一个字节来描述：

switch (MoveType)
{
    case MoveType.RotatePaw:
        return (byte)10;
    case MoveType.RotateBottom:
        return (byte)(20 + Count);
    case MoveType.RotateBottomSide:
        return (byte)(30 + Count);
    default:
        return (byte)0;
}

在NXT上对应的解析操作是：

//Get result
int step = BlueTooth.ReadBytes()[0];
if(step==10)
{
	//Rotate paw
	Robot.RotatePaw();
}
else if(step>=20 && step<30)
{
	//Rotate Bottom
	int count = step - 20;
	if(count == 3) count = -1;
	Robot.RotateBottom(count);
}
else if(step>=30 && step<40)
{
	//Rotate Bottom Side
	int count = step - 30;
	if(count == 3) count = -1;
	Robot.RotateBottomSide(count);
}

开始编译工程，佛祖&上帝&安拉&比尔盖子同时保佑，程序编译通过了。如果运气好的话，蓝牙连接成功以后，萝卜头就可以顺利解魔方了。

好了，所有的代码都介绍完了，之后还会介绍一些收尾和改进的工作，主要包括：
1，用超声波测距传感器（就是那对眼睛）制作“开关”；
2，读色错误，卡住等情况的异常处理
3，语音提示，让萝卜头开口说话
4，暂停功能，帮助我们进行调试

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。