引言：

隨著學習和研究的不斷深入，在仿真模擬的基礎上引入硬件設備變得越來越流行，也越來越重要，MATLAB/Simulink 在硬件支持方面應用廣泛，提供了上百個硬件支持包來滿足使用者的需求，下載安裝好之后，可以很方便地使用封裝好的函數(shù)和模塊對硬件進行控制。依靠 MATLAB 強大的代碼生成功能，可以靈活部署到 Arduino、Raspberry Pi、NVIDIA Jetson 等嵌入式設備中。MATLAB 現(xiàn)在支持生成 C/C++ 代碼、用于 FPGA 的 VHDL 代碼以及 NVIDIA GPU 的 CUDA 代碼等，并且所生成的代碼針對相應的算法也進行了優(yōu)化，對于不具備相應手寫代碼經(jīng)驗的用戶來說，極大地降低了學習成本，可以將更多的精力放在模型或算法本身的設計當中。

今天我們就從 Arduino 入手，通過一個簡單的示例介紹 MATLAB 在硬件支持方面的一些初步應用，以及這些內(nèi)容可以如何應用到教學當中。Arduino 有多個不同型號的開發(fā)板，因為成本低廉簡單易學被廣泛應用。在之前的文章 “MATLAB/Simulink × Arduino Engineering Kit | 機電一體化虛擬實操課程”中我們已經(jīng)了解到 Arduino Engineering Kit（AEK）在課堂教學中的應用。AEK 是 MathWorks 與 Arduino 公司合作開發(fā)的工程套件，套件除了基本的開發(fā)板還包含配套的電機、傳感器等組件，通過組裝調(diào)試，用戶可以搭建成三個不同的機器人。同時套件還包含完整的學習材料和 MATLAB/Simulink 代碼模型，非常適合控制類相關領域的初學者學習以及課堂教學。

下面我們將通過對 AEK 組裝調(diào)試“墻壁繪圖機器人”過程的詳細介紹，展示 MATLAB 在硬件支持、電機控制、以及圖像處理等方向的應用，無論之前是否有相關基礎都可以快速上手。

1. 組裝機器人

AEK 套件中包含了組裝繪圖機器人所需的全部零部件，包括一款型號為 Nano 33 IoT 的 Arduino 開發(fā)板、擴展板、三個電機以及其他配件。在安裝視頻的指導下，通常 1~2 個小時就可以組裝好。

機器人的工作原理是將兩個滑輪固定在豎直放置的白板頂部兩端，滑輪與兩個直流電機相連，通過控制機器人在白板上移動來進行繪圖，此外機器人還配有伺服電機來控制記號筆的起落。所有的控制和調(diào)試都可以在 MATLAB 中進行。

2. 圖像處理

我們繪制的圖形以簡筆畫為主，以下圖(1)所示的 MATLAB logo 為例，你可以在 MATLAB 中連接攝像頭進行拍照，也可以將已有的照片導入 MATLAB 中。要將照片轉(zhuǎn)化成機器人可以識別的數(shù)據(jù)格式并用于進一步的復現(xiàn)繪制，需要對圖片進行一系列處理。MATLAB Image Processing Toolbox 中包含了大量成熟的函數(shù)和算法可以直接調(diào)用，通過運行以下代碼可將圖(1)處理成圖(2)的形式：

img2 = rgb2gray(img);
img3 = ~imbinarize(img2,'adaptive','ForegroundPolarity','dark');
img4 = bwmorph(img3,'clean');
img5 = bwmorph(img4,'thin',inf);

此時圖片中已經(jīng)只包含繪圖所需的輪廓線，但我們還需要做進一步的處理來獲取對應的坐標。使用遞歸的方法調(diào)用 bwboundaries 函數(shù)以及數(shù)據(jù)處理可以獲得圖(3)所示曲線的一系列坐標值。最后將曲線進行合理的分段、合并形成圖(4)所示的三組坐標值，分別用三種顏色表示，這也意味著要完成繪制需要畫三筆。

至此我們已經(jīng)準備好繪圖需要的數(shù)據(jù)，接下來可以連接硬件對電機進行控制了。

（1）

（2）

（3）

（4）

3. 連接硬件

MathWorks 官方提供了近 200 個硬件支持包，此外還有大量用戶自己開發(fā)上傳的支持包。點擊 MATLAB 中“附加功能”->“獲取硬件支持包”，搜索 Arduino，即可下載 “MATLAB Support Package for Arduino Hardware”。下載完成后通過 USB 將機器人與電腦連接，根據(jù)支持包提示進行驅(qū)動的安裝與配置，然后就可以在 MATLAB 中控制直流電機和伺服電機的運動了。

在 MATLAB 中運行如下命令：

a = arduino

可以看到工作區(qū)中生成了一個類型為 arduino 的對象 a，包含如下屬性：

在此基礎上可進一步連接擴展板：

carrier = motorCarrier(a)

更多支持的函數(shù)可參考幫助文檔：arduino。因為電機與擴展板相連，現(xiàn)在我們可以通過 carrier 連接伺服電機：

s = servo(carrier,3);

設置 pos 的值，調(diào)用 writePosition 函數(shù)即可控制電機轉(zhuǎn)動角度即記號筆的位置：

pos = 0.3; %Change this value as per your requirements
writePosition(s,pos)

與伺服電機類似，你也可以通過簡單幾行命令控制直流電機的運動，并且我們可以通過開環(huán)和閉環(huán)兩種方式實現(xiàn)。開環(huán)的方式通過 dcmotor 函數(shù)連接電機：

mL = dcmotor(carrier,'M2');
mR = dcmotor(carrier,'M1');

設置好速度后即可通過 start 和 stop 控制電機的運轉(zhuǎn)：

start(mL)
start(mR)
pause(3) % Wait 3 seconds
stop(mL)
stop(mR)

相對應的，閉環(huán)控制的方式是通過 pidMotor 實現(xiàn)，你可以通過調(diào)節(jié) PID 參數(shù)獲得更精確的控制：

pidML = pidMotor(carrier,2,'position',3,[0.18 0.0 0.01]); % Modify the PID gains [Kp Ki Kd] as per your requirements
pidMR = pidMotor(carrier,1,'position',3,[0.18 0.0 0.01]);

設置好目標角位移 theta 即可通過 writeAngularPosition 控制運轉(zhuǎn)：

writeAngularPosition(pidML,theta,'rel');
writeAngularPosition(pidMR,theta,'rel');

在下文中我們將通過閉環(huán)控制的方式進行繪圖。

以上所有控制函數(shù)列表都可以在幫助文檔中查到，與電機類似，你也可以配置自己的傳感器開發(fā)更多新的功能。

4. 對圖像數(shù)據(jù)做進一步處理

現(xiàn)在我們已經(jīng)得到要繪制的曲線的一系列坐標，也可以對電機進行控制。但是坐標值是基于圖片生成的真實數(shù)據(jù)，要想在白板上繪制，需要將曲線坐標縮放成合適的大小，并在此基礎上將坐標的變化準確地轉(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)動的角度。

我們需要測量白板的基本尺寸，并通過查閱電機最大扭矩等參數(shù)，基于基本的力學分析，將可繪制的區(qū)域找出，并進一步設定想要繪制的區(qū)域大小，結果如下圖所示。其中云圖標識了根據(jù)扭矩計算出的機器人在白板移動時的可行域，可以看到當機器人接近白板頂端時扭矩將會變大，這也符合實際情況。紅色區(qū)域為我們選定的最終的繪圖區(qū)，根據(jù)此區(qū)域的大小我們可以將圖像坐標按比例縮放為適合的范圍。

由于繪制的過程是控制機器人沿一系列坐標點移動，當點過于密集時不僅會花費更多時間，甚至可能會降低精度。我們可以設置一個最小移動距離，遍歷所有的坐標點將小于該距離的中間點移除，經(jīng)過實驗這里取為 2mm。

最后即可根據(jù)機器人的尺寸、初始位置以及電機參數(shù)通過三角函數(shù)將坐標值轉(zhuǎn)化成機器人每一步移動時電機需要轉(zhuǎn)動的角位移。

5.控制機器人進行繪圖

現(xiàn)在我們可以控制機器人進行繪圖了，如前文介紹，繪制的圖像分為三條曲線，首先通過伺服電機將記號筆抬起，移動至第一條曲線的起點，然后將筆落下繪制，結束后再抬起筆移動至第二條曲線依次完成。

我們來通過視頻看一下最終的繪制過程：

6. 總結與展望

通過調(diào)試一個簡單的繪圖機器人，我們可以了解圖像處理、硬件連接、控制以及數(shù)學等多個領域的基礎知識，快速上手 MATLAB 在這些方向的應用。在此基礎上，你可以開發(fā)更為復雜的算法，處理實際拍攝的照片而非簡筆畫，你也可以利用兩只記號筆繪制彩色圖案，關于繪圖機器人還有更多應用和功能等著你來解鎖。除了繪圖機器人，你還可以將 AEK 組裝為移動漫游車或者自平衡小車，三種機器人形態(tài)會共享 Arduino 開發(fā)板、電機以及部分零部件，詳細信息可以在 MATLAB 或 Arduino 官網(wǎng)上查看。

AEK 套件因為簡單易上手、功能完整等特點，被很多老師選擇用于控制類課程的教學，學生可以作為團隊的形式完成整個項目，也可以根據(jù)實際需求側重某一個應用方向來進行拓展。

對于手邊沒有 AEK 完整套件的同學，只需要一個 Arduino 開發(fā)板，以及攝像頭、傳感器等一些外設，同樣可以參考 AEK 的代碼和模型以及 MATLAB 的幫助文檔開發(fā)自己的應用，使用方法和上文類似，大家可以充分發(fā)揮自己的想象力進行一些有趣的嘗試。

審核編輯：湯梓紅