了解如何使用您的 Arduino 控制樂高電機(jī)和伺服系統(tǒng)，并構(gòu)建您自己的 Android 應(yīng)用程序來(lái)遠(yuǎn)程控制您的模型。

　　背景

　　您是否擁有帶有電動(dòng)機(jī)和伺服電機(jī)的超棒Lego Power Functions 模型之一？在本文中，我將向您展示如何使用 Arduino 和最少的電子元件來(lái)控制樂高模型。我將詳細(xì)解釋電路和編程，以便于初學(xué)者理解。

　　我們還將學(xué)習(xí)如何使用MIT 應(yīng)用程序發(fā)明者來(lái)編寫我們自己的遠(yuǎn)程控制 Android 應(yīng)用程序。很快，您將在您的后院擁有自己的樂高火星探測(cè)器！

　　這是我的第一個(gè) Arduino 項(xiàng)目，我兒子有一個(gè)漂亮的 Lego Technic 汽車模型（9398 4X4 Crawler ），帶有樂高動(dòng)力功能：一個(gè)用于轉(zhuǎn)向的樂高伺服電機(jī)和兩個(gè)用于駕駛的樂高 L 電機(jī)。同時(shí)他也允許我在這個(gè)項(xiàng)目中使用這輛車。

　　了解電源功能接線

　　首先，購(gòu)買一些樂高電源功能延長(zhǎng)線。接下來(lái)，將它們切斷。我們將制作一些“分線”電纜，一端有樂高積木，另一端有別針。將引腳焊接在上面或類似的地方。以下是接線說(shuō)明：

　　GND 代表接地，它是電池組（陽(yáng)極）的負(fù)極端子 （-）。C1和C2可以切換極性，使電機(jī)和舵機(jī)切換方向。對(duì)于樂高伺服連接器，你需要將針腳焊接到所有四根電纜上。您可以使用淺灰色插頭。對(duì)于連接電池盒和面包板的電源線，我們只需要 +9 Volt 和 GND 但您必須使用深灰色插頭：

　　對(duì)于電機(jī)電纜，我們只需連接 C1 和 C2，您可以使用淺灰色插頭。

　　使用 L293D 芯片控制樂高電機(jī)

　　我們需要直流電機(jī)的變速控制和樂高伺服的位置控制。這是通過脈沖寬度調(diào)制 （PWM）實(shí)現(xiàn)的。Arduino的編程語(yǔ)言使PWM易于使用；只需調(diào)用analogWrite（pin， dutyCycle） ，其中 dutyCycle 是一個(gè)從 0 到 255 的值。PWM 引腳在您的 arduino 上標(biāo)有 ~。

　　Arduino 輸出引腳為 5 伏特和最大值。30 毫安，而樂高電機(jī)需要 9 伏且每個(gè)拉力超過 100 毫安。我們需要某種介于兩者之間的“開關(guān)設(shè)備”。我們還希望能夠在兩個(gè)方向上運(yùn)行直流電機(jī)。這些功能由所謂的H 橋解決。我們將使用L293D ，它在一個(gè)集成芯片上包含兩個(gè) H 橋，這意味著我們可以將樂高電機(jī) （M） 并聯(lián)連接到芯片的一側(cè)，將樂高伺服 （S） 連接到芯片的另一側(cè)。（如果您想獨(dú)立控制兩個(gè)電機(jī)，則需要第二個(gè) L293D）。樂高伺服還需要連接到 GND 和樂高 +9 伏。

　　該芯片使 Lego +9 Volt 和 Arduino +5 Volt 完全分離。切勿將它們連接在一起，否則會(huì)損壞某些東西！但是您同時(shí)須將所有接地線連接在一起并與 L293D 接地引腳連接。

　　在我們的 Arduino 中，我們將使用引腳 9 來(lái)控制電機(jī)速度，使用引腳 2 和 5 來(lái)控制旋轉(zhuǎn)方向。樂高伺服像電機(jī)一樣被控制：我們連接引腳 3 用于位置，引腳 6 和 8 用于方向（左或右）。

　　在我們程序的頂部，我們將使用的 Arduino 引腳定義為常量。此外，我們定義了一些用于控制電機(jī)的變量：

// Motor control digital output pins defined as global constants
const int controlPin1A = 2; ? ? ? ? ? ? ? ?
const int controlPin2A = 5; ? ? ? ? ? ? ? ??
const int ENablePin = 9; ? ? ? ? ? ? ? ? ??
// Servo control digital output pins defined as global constants?
const int controlPin3A = 6; ? ? ? ? ? ? ?
const int controlPin4A = 8; ? ? ? ? ? ? ? ? ?
const int servoENablePin = 3; ?
? ? ? ??
// Motor control global variables:?
int motorSpeed = 0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Motor speed 0..255
int motorDirection = 1; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Forward (1) or reverse (0)
// Servo control global variables:
int steering = 0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Servo position 0..255
int steeringDirection = 0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? // Left (0) and Right (1)

在設(shè)置中，我們使用pinmode()命令將這些引腳定義為輸出，然后使用digitalWrite ()將它們?cè)O(shè)置為 0 伏。?

void setup()?
{
? //other stuff....
?
? // Declare digital output pins:
? pinMode(controlPin1A, OUTPUT); ? ? ?// 1A
? pinMode(controlPin2A, OUTPUT); ? ? ?// 2A
? pinMode(ENablePin, OUTPUT); ? ? ? ? // EN1,2
? pinMode(controlPin3A, OUTPUT); ? ? ?// 3A
? pinMode(controlPin4A, OUTPUT); ? ? ?// 4A
? pinMode(servoENablePin, OUTPUT); ? ?// EN3,4
?
? digitalWrite(ENablePin, LOW); ? ? ? // motor off
? digitalWrite(servoENablePin, LOW); ?// steering centered
}

現(xiàn)在我們需要了解 L293D 芯片是如何控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的。我們必須提供以下信號(hào)（高 == 5 伏；低 == 0 伏）：

EN1,2 1A 2A

高 高 低 電機(jī)左轉(zhuǎn)（前進(jìn)；motorDirection == 1）

高 低 高 電機(jī)右轉(zhuǎn)（反向；motorDirection == 0）

EN3,4 3A 4A

高 高 低 舵機(jī)左轉(zhuǎn)（steeringDirection == 0）

高 低 高 舵機(jī)右轉(zhuǎn)（steeringDirection == 1）

接下來(lái)我們準(zhǔn)備編寫一個(gè)子程序來(lái)讀取方向和速度/位置的全局變量并控制電機(jī)和伺服：

void SetMotorControl()
{
?if (motorDirection == 1) ? ? ? ? ? ? ? //Forward
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin1A, HIGH);
? ? ? digitalWrite(controlPin2A, LOW);
? ?}
?else ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //Reverse
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin1A, LOW);
? ? ? digitalWrite(controlPin2A, HIGH);
? ?}?
?analogWrite(ENablePin, motorSpeed); ? ?//Speed
?
?if (steeringDirection == 0) ? ? ? ? ? ?//Left
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin3A, HIGH);
? ? ? digitalWrite(controlPin4A, LOW);
? ?}
?else ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //Right
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin3A, LOW);
? ? ? digitalWrite(controlPin4A, HIGH);
? ?}?
?analogWrite(servoENablePin, steering); //Servo position
}

　　帶有操縱桿的簡(jiǎn)單 RC Android 應(yīng)用程序

　　接下來(lái)，讓我們構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的 Android 應(yīng)用程序來(lái)控制模型。

　　我們將使用 MIT app inventor 2。MIT App Inventor 是一個(gè)創(chuàng)新的初學(xué)者對(duì)編程和應(yīng)用程序創(chuàng)建的介紹。Google 的 Mark Friedman 和麻省理工學(xué)院教授 Hal Abelson 共同領(lǐng)導(dǎo)了 App Inventor 的開發(fā)。它作為一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運(yùn)行，由麻省理工學(xué)院移動(dòng)學(xué)習(xí)中心的工作人員管理。

　　在您的 Android 手機(jī)上，前往 Google Play 并安裝MIT AI2 Companion 應(yīng)用程序。在您的計(jì)算機(jī)上，在 Firefox 或 Chrome 瀏覽器中打開我的RC 應(yīng)用程序的鏈接。您必須使用您的 gmail 地址登錄并創(chuàng)建一個(gè)帳戶才能查看源代碼。如果您在手機(jī)上打開配套應(yīng)用程序，您可以在瀏覽器中查看源代碼，對(duì)其進(jìn)行更改并立即在手機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

　　在瀏覽器中，您現(xiàn)在將看到應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)器視圖：

　　在底部，我們看到帶有藍(lán)色操縱桿球的橙色墊?，F(xiàn)在切換到 Blocks-view 來(lái)查看程序。該程序的核心是一個(gè) when 塊，它跟蹤您的手指觸摸和拖動(dòng)藍(lán)色操縱桿球的動(dòng)作：

　　您的手指位置將會(huì)在兩個(gè)變量currentX和currentY中進(jìn)行跟蹤，并用于計(jì)算兩個(gè)變量轉(zhuǎn)向和速度的值（范圍：-100..0..+100）。首先，程序會(huì)先檢查您的手指是否在墊外，并將值限制為 +/- 100。如果手指在墊內(nèi)，程序會(huì)計(jì)算轉(zhuǎn)向和速度的值。接下來(lái)，程序生成以下形式的命令字符串：

　　“遙控，轉(zhuǎn)向，速度，\n”

　　該命令以用于遠(yuǎn)程控制的“RC”開頭，后跟逗號(hào)。然后我們發(fā)送轉(zhuǎn)向和速度的值。命令末尾的換行符 （‘\n’） 是向 Arduino 發(fā)出命令完成的信號(hào)。該命令字符串通過藍(lán)牙發(fā)送到 Arduino。供您參考，該字符串也顯示在屏幕上。

　　將藍(lán)牙命令讀入 Arduino

　　為了讀取藍(lán)牙命令字符串，我們需要連接一個(gè) HC-05 藍(lán)牙模塊：

　　我的這塊板子有 6 個(gè)引腳。但我們實(shí)際上只需要 4 個(gè)引腳。VCC 是（正）電源電壓，GND 是地。該模塊可承受 6 伏電源電壓，這意味著我們可以將其連接到 arduino 5 伏電源引腳。TXD 和 RXD 是串行信號(hào)。我們必須越線并將 TXD 連接到 arduino RXD（引腳 0），反之亦然。

　　注意： LEVEL：3.3V，這意味著 RXD不能直接連接到 5V arduino TXD（引腳 1）。我們必須構(gòu)建一個(gè)帶有三個(gè) 1 kOhm 電阻的分壓器，以產(chǎn)生 5V 的 2/3 的輸出電壓。另一方面，3.3V 的 TXD 信號(hào)可以直接連接到 Arduino RXD。Arduino 會(huì)將 3.3V識(shí)別為高。

　　由于引腳 0 和 1 與 Arduino 的 USB 端口共享，因此在通過 USB 將程序上傳到開發(fā)板時(shí)，您必須斷開引腳 0 和 1 的 RXD 和 TXD 信號(hào)。如果您不斷開電纜，上傳將無(wú)法進(jìn)行。

　　接下來(lái)，您必須將 HC-05 模塊與您的 Android 設(shè)備配對(duì)。打開藍(lán)牙；啟動(dòng)應(yīng)用程序；按“藍(lán)牙連接”；讓您的手機(jī)可見并尋找名為 HC-05 或類似設(shè)備的設(shè)備。選擇設(shè)備。您將被要求輸入代碼。按“1234”。當(dāng)您返回操縱桿屏幕時(shí)，它應(yīng)該以綠色顯示“已連接”。

　　現(xiàn)在，讓我們看一下代碼：

// Serial buffer size: calculate based on max input size expected for one command
#define INPUT_SIZE 30
?
?
void loop()?
{
? // Get next command from serial bluetooth (add 1 byte for final 0)
? char input[INPUT_SIZE + 1]; ? ? ? ? ? ? ? ? ?// array of type char (C-string)
? //read Serial until new line or buffer full or time out
? byte size = Serial.readBytesUntil('\n', input, INPUT_SIZE); ??
? // Add the final 0 to end the C-string
? input[size] = 0;
?
? // Split string which is of the form: ?"RC,steering,speed,\n\0"
? char* command = strtok(input, ","); ? ? ? ? ?// command (RC) ??
? // RCsteering in Range: -100 (left).. 0 .. 100 (right)
? char* RCsteering = strtok(NULL, ","); ? ? ? ?
? // RCspeed in Range: -100 (full speed reverse).. 0 .. 100 (full speed forward)
? char* RCspeed = strtok(NULL, ","); ? ? ? ? ??
? int iRCsteering = atoi(RCsteering); ? ? ? ? ?// convert string into integer
? int iRCspeed = atoi(RCspeed); ? ? ? ? ? ? ? ?// convert string into integer
?
? //rest of program
}

　　Android 應(yīng)用程序發(fā)送的字符串被讀入一個(gè)特殊的字符串結(jié)構(gòu)：一個(gè)帶有 null-termination 的 C 字符串。（0 字符告訴程序它已經(jīng)到了字符串的末尾）。這是通過使用函數(shù) Serial.readBytesUntil（‘\n’， input， 。..）來(lái)完成的，該函數(shù)從串行接口（藍(lán)牙）讀取，直到獲得換行符（‘\n’）。這樣，我們會(huì)一直讀取字節(jié)，直到在input中有完整的命令：

　　“遙控，轉(zhuǎn)向，速度，\n\0”。

　　處理輸入的一種非常有效的方法是字符串標(biāo)記函數(shù)，它使用逗號(hào)作為分隔符將字符串分成幾部分。第一次調(diào)用 strtok（） 返回“RC”。然后通過將 NULL 傳遞給 strtok（） 來(lái)讀取命令的后續(xù)部分。返回值存儲(chǔ)在RCsteering和RCspeed中。這些變量實(shí)際上是指向input中位置的指針。atoi（）函數(shù)最終將它們轉(zhuǎn)換為整數(shù)?，F(xiàn)在，我們有：

　　iRC 轉(zhuǎn)向 == -100（左）。. 0 。. +100（右）

　　iRCspeed == -100（后退）。. 0 。. +100（前進(jìn)）

　　現(xiàn)在差不多完成了。在將它們傳遞給我們的例程 SetMotorControl（） 之前，我們必須將這些值乘以 2.55（請(qǐng)記住，電機(jī)速度在 0..255 范圍內(nèi)）。你現(xiàn)在可以在 CODE 部分研究程序的其余部分，構(gòu)建電路并測(cè)試您的遙控樂高模型。

　　未來(lái)？

　　既然您有一個(gè) Arduino 控制您的樂高模型，您可能希望將該模型用作機(jī)器人平臺(tái)：

　　添加一些超聲波 ping 傳感器，編寫您自己的避障邏輯并制作您自己的自動(dòng)駕駛機(jī)器人火星探測(cè)器。

　　或者給遙控器增加更多指令，給模型增加更多功能。