雪犁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)施

就在幾周前，我們?cè)谶@個(gè)博客中展示了電動(dòng)掃雪機(jī)的制造商版本，類似于許多小商店里的那種。事實(shí)上，我們的機(jī)器人是一種特殊的履帶，是傳統(tǒng)掃雪機(jī)的縮小版，但可以通過索尼PS2控制器輕松進(jìn)行無線電控制。在第一篇文章中，我們描述了該項(xiàng)目的硬件，即機(jī)械和電子控制器，并解釋說它完全基于Arduino Uno。在這篇文章中，我們將描述要加載到Arduino上的固件，以執(zhí)行所有所需的功能，操作驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制刀片，并根據(jù)通過無線電接收的命令打開/關(guān)閉前投影儀。

簡(jiǎn)要概述

掃雪機(jī)的電氣和電子部分基于Arduino Uno Rev.3，它擁有三個(gè)護(hù)罩和與這些卡的接口：

PCBWAY

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRI0018；

繼電器電路RELAY1CH；

DC/DC轉(zhuǎn)換器升壓STEPUP30VADJ。

安裝在Arduino上的防護(hù)罩是控制三個(gè)線性電機(jī)的電機(jī)防護(hù)罩，用于管理刀片的移動(dòng)，以及允許您與控制臺(tái)PlayStation 2（PS2）接口的PS2SHIELD；后一種屏蔽要求通過將其插入連接器來安裝RX-PS2，它是一個(gè)2.4 GHz的無線電接收器，用于接收來自上述控制臺(tái)的特定命令。

電路中使用的所有電路板和元件都可以在我們的商店購(gòu)買。電源由兩個(gè)7.2 Ah的鉛凝膠電池組成：我們?cè)趦烧叩闹悬c(diǎn)取12伏，而在該系列的負(fù)極和正極之間取24伏。

使用12伏電壓，我們?yōu)锳rduino供電，Arduino將通過其引腳條為屏蔽的邏輯供電；LED（內(nèi)部配備限制電阻器）將指示Arduino何時(shí)開啟。

12伏電壓也用于馬達(dá)護(hù)罩的電源部分；事實(shí)上，考慮到三個(gè)線性執(zhí)行器的高吸收，直接從Arduino獲得12V是不明智的：您必須選擇將外部電源連接到適當(dāng)?shù)亩俗覲WR。

每個(gè)線性致動(dòng)器由一個(gè)12 Vdc的齒輪電機(jī)組成，該電機(jī)使用蝸桿沿其長(zhǎng)度來回移動(dòng)軸（最大偏移5 cm）。致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)負(fù)載為50 kg，最大速度為1.3 cm/s。在不移動(dòng)時(shí)，它最多可支撐約250公斤，扭矩螺釘確保即使在沒有動(dòng)力的情況下也能保持軸的位置。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大伸展和收縮時(shí)，兩個(gè)限位開關(guān)會(huì)停止發(fā)動(dòng)機(jī)，而二極管在達(dá)到極限點(diǎn)后允許反向。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由金屬制成，并進(jìn)行密封，以防止灰塵和水進(jìn)入，這是在雪地中操作的強(qiáng)制性條件。

24V電源線用于為掃雪機(jī)的部分供電，即牽引和投影（可選）部分：第一部分基于電源電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRI0018，用四根電線連接到相應(yīng)的Arduino數(shù)字線。模塊的輸出端子連接用于牽引的兩個(gè)24伏馬達(dá)。

除了發(fā)動(dòng)機(jī)控制器外，24伏還為L(zhǎng)ED投影儀的部分供電，無論您是否安裝，其照明都會(huì)根據(jù)我們掃雪機(jī)電子設(shè)備中的光刻膠檢測(cè)到的環(huán)境照明條件進(jìn)行調(diào)整。

投影儀設(shè)計(jì)為在220 Vac下工作，然而，由于機(jī)器人上沒有此電壓，為了避免使用逆變器，我們對(duì)投影儀進(jìn)行了修改，打開投影儀，移除AC/DC，并將電源LED的兩根電線連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器（代碼：STEPUP30VADJ）；后者是一個(gè)開關(guān)可調(diào)輸出電壓調(diào)節(jié)器，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行調(diào)諧，以提供合適的電流，使LED在大約10瓦的功率下工作。

從遙控器接收數(shù)據(jù)是分配給屏蔽PS2SHIELD的任務(wù)，為此，制造商提供了我們?cè)贏rduino草圖中集成的特定庫(kù)。屏蔽執(zhí)行命令接收和解碼；2.4GHz無線電單獨(dú)提供（RX_PS2），必須插入屏蔽的連接中。

// Sketch Open Source Snow Plow Robot 
// by Vittorio Loschiavo

 
#include <Shield_PS2.h>

//declare class objects
PS2 ps2=PS2();                    //PS2 class object: ps2

int FOTORES = A0;    
int RELAY = 13;      
int sensorValue = 0;  

int ALZAPALA = 12;      
int ONALZAPALA = 11;    
int RUOTAPALA = 2;       
int ONRUOTAPALA = 3;     

int E1 = 5;  //MOTORE 1 SPEED CONTROL M1_PWM
int E2 = 6;  //MOTORE 2 SPEED CONTROL M2_PWM
int M1 = 4;  //MOTORE 1 DIRECTION CONTROL M1_EN
int M2 = 7;  //MOTORE 2 DIRECTION CONTROL M2_EN

int counter=0;
int stato=0;
int val=0;
int velo=0;
int motori=0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
   ps2.init(9600, 8, 9);   //initialize the main board to use desired (baudrate, rx, tx)
                           //for Arduino Mega use RX:10, TX: 11 for software serial
                           //for Arduino Leonardo use pin 8, 9, 10, 11 as RX and TX for software serial
                            
  pinMode (FOTORES, INPUT);                          
  pinMode (RELAY, OUTPUT); 
  pinMode (RUOTAPALA, OUTPUT);
  pinMode (ALZAPALA, OUTPUT);
  pinMode (ONRUOTAPALA, OUTPUT);
  pinMode (ONALZAPALA, OUTPUT); 
  pinMode (E1, OUTPUT);
  pinMode (M1, OUTPUT);
  pinMode (E2, OUTPUT);
  pinMode (M2, OUTPUT);
  stato=0;
      
}
void loop(){
    motori=0;
  if( ps2.getval(p_up)==0 || ps2.getval(p_joy_lu)==100) { 
    Serial.println("AVANTI");    //
    analogWrite (E1,velo);      //PWM Speed Control
  digitalWrite(M1,HIGH);        //
  analogWrite (E2,velo);        //
  digitalWrite(M2,HIGH);       ///
  motori=1;  
      }
  if (ps2.getval(p_down)==0 || ps2.getval(p_joy_ld)==100) { 
    Serial.println("INDIETRO");  
   analogWrite (E1,velo);
  digitalWrite(M1,LOW);   
  analogWrite (E2,velo);    
  digitalWrite(M2,LOW); 
  motori=1;    
      }  
  if (ps2.getval(p_right)==0 || ps2.getval(p_joy_lr)==100){ 
    Serial.println("DESTRA"); 
   analogWrite (E1,velo);
  digitalWrite(M1,HIGH);    
  analogWrite (E2,velo);    
  digitalWrite(M2,LOW); 
  motori=1;  
    }
  if (ps2.getval(p_left)==0 || ps2.getval(p_joy_11)==100) { 
    Serial.println("SINISTRA");    //
     analogWrite (E1,velo);      //
  digitalWrite(M1,LOW);          //
  analogWrite (E2,velo);         // 
  digitalWrite(M2,HIGH);        //
  motori=1;                     // 
       }
  if (ps2.getval(p_triangle)==0) { 
    Serial.println("TRIANGOLO"); // 
    if (velo<250)              // 
{                              //
   velo=velo+25;              // 
   }                          //
else                          // 
{                            //
ps2.vibrate(2, 255);         // 
delay(500);                  // 500 ms
ps2.vibrate(2,0);            // 
 }                           // 
  analogWrite (M1, velo);    //
    analogWrite (M2, velo);   // 
 Serial.println(velo);       
      }
  if (ps2.getval(p_cross)==0) { // 
    Serial.println("X");        // 
    if (velo>0 && velo<=250)    // 
{                               // 
  velo=velo-25;                // 
   }
else 
{
//non fa niente
} 
    analogWrite (M1, velo);
    analogWrite (M2, velo);
   Serial.println(velo);
      }
  if (ps2.getval(p_circle)==0) {
    Serial.println("CERCHIO");
    if (stato==0)
    {                               // 
     stato=stato+1;
     delay(100);
     Serial.println(stato); 
     digitalWrite(RELAY, HIGH);
     ps2.vibrate(2, 255);         // 
    delay(500);                  // 500 ms
    ps2.vibrate(2,0);            // 
    delay(500);
    ps2.vibrate(2,255);
    delay(500);
    ps2.vibrate(2,0);
      }
else 
{
stato=0;
delay(100);
Serial.println(stato); 
digitalWrite(RELAY, LOW);
ps2.vibrate(2, 255);         // 
    delay(500);                  // 500 ms
    ps2.vibrate(2,0);            // 
} 
     }
  if (ps2.getval(p_square)==0) { //
    Serial.println("QUADRATO");
      digitalWrite(E1,0); 
  digitalWrite(M1,LOW);    
  digitalWrite(E2,0);   
  digitalWrite(M2,LOW);  
  velo=0;
     }
  if (ps2.getval(p_l1)==0) {
    Serial.println("L1");
    digitalWrite (ONALZAPALA, HIGH);  //
digitalWrite (ALZAPALA, LOW);     //
   }
 if (ps2.getval(p_l1)==1) {
    Serial.println("L1");
   digitalWrite (ONALZAPALA, LOW);  //
digitalWrite (ALZAPALA, LOW);     //
     }
  if (ps2.getval(p_l2)==0) {
    Serial.println("L2");
     digitalWrite (ONRUOTAPALA, HIGH);  //
digitalWrite (RUOTAPALA, LOW);     //
         }
          if (ps2.getval(p_l2)==1) {
Serial.println("L2");
digitalWrite (ONRUOTAPALA, LOW);  //
digitalWrite (RUOTAPALA, LOW);     //
     }
  if (ps2.getval(p_r1)==0) {
    Serial.println("R1");
    digitalWrite (ONALZAPALA, HIGH);  //
digitalWrite (ALZAPALA, HIGH);    //
       }
  if (ps2.getval(p_r2)==0) {
    Serial.println("R2");
    digitalWrite (ONRUOTAPALA, HIGH);  //
digitalWrite (RUOTAPALA, HIGH);    //
     }
  if (ps2.getval(p_start)==0) {
    Serial.println("START");
        }
  if (ps2.getval(p_select)==0) {
    Serial.println("SELECT");
                }
  if (motori==0) { // 
       analogWrite (E1,0); 
  digitalWrite(M1,LOW);    
  analogWrite (E2,0);    
  digitalWrite(M2,LOW);
}
  sensorValue = analogRead(FOTORES);
  Serial.println(sensorValue); 
 if (sensorValue<30 || stato==0) {
   // {  
    digitalWrite(RELAY, HIGH);
        }
else 
{
  digitalWrite(RELAY, LOW);  
delay(100);  
{
  //non fa niente
  }
}
}

好吧，在總結(jié)了掃雪機(jī)的制作和特性后，我們可以繼續(xù)討論你最感興趣的東西：固件，也就是要上傳到Arduino Uno中的草圖，這樣它就可以控制掃雪機(jī)，并將PlayStation 2控制器發(fā)送的命令傳給他。

機(jī)器人的固件相對(duì)簡(jiǎn)單；為了理解它的結(jié)構(gòu)是合適的，首先，花幾個(gè)字在受控屏蔽上，特別是在PS2屏蔽上。事實(shí)上，關(guān)于馬達(dá)屏蔽，我們?cè)谄渌恼轮幸呀?jīng)講了很多，因?yàn)槲覀冊(cè)诟鞣N項(xiàng)目中都使用過它，所以我們只想說，它的管理涉及我們已經(jīng)計(jì)劃在草圖中包括的特殊庫(kù)，需要PWM信號(hào)和“啟用”邏輯級(jí)別。我們介紹了Shield PS2的相關(guān)功能以及專用庫(kù)的主要功能。

該屏蔽允許您使用Playstation 2的無線控制器（或有線控制器），允許遠(yuǎn)程控制機(jī)器人或其他設(shè)備；因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)，可以與Arduino Uno Rev 3、Duemilanove、Mega和Leonardo一起使用。它配備了一個(gè)重置按鈕來鏡像Arduino的，帶有跳線來設(shè)置各種波特率（9600、57600、115200 bps），以及一個(gè)狀態(tài)LED和跳線來選擇用于TX和RX數(shù)據(jù)的引腳，以替代UART默認(rèn)值。

我們說Arduino Uno引腳D0和D1與硬件串行匹配，它們的含義分別是TX和RX。但是，可以通過軟件重新分配TX和RX線路，通過加載適當(dāng)?shù)膸?kù)New software Serial將它們分配給其他引腳（TX:引腳1、3、9、11–RX:0、2、8、10），這允許在其他硬件資源（或其他屏蔽）尚未使用的其他數(shù)字I/O對(duì)上模擬串行端口。

請(qǐng)注意，如果您使用串行硬件（D0，D1）的引腳，請(qǐng)記住在開始對(duì)Arduino Uno進(jìn)行編程之前，將PS2連接器從Shield上拔下。

PS2屏蔽能夠通過適當(dāng)?shù)膸?kù)識(shí)別和管理PS2控制器的所有按鈕和模擬棒。每個(gè)模擬操縱桿（左和右）有兩個(gè)軸（X和Y）和兩種輸出格式：模擬1和2。在“模擬輸出1”格式中，每個(gè)操縱桿有兩個(gè)變量：X軸和Y軸。根據(jù)操縱桿的移動(dòng)方式，您可以得到一個(gè)從0到255的輸出值，對(duì)應(yīng)于操縱桿的位置。

Y軸：

?中心位置（中性），值為128。

?向上推，數(shù)值從128變?yōu)?

?按下，數(shù)值從128變?yōu)?55。

X軸：

?中心位置（中性），值為128。

?向左推，數(shù)值從128變?yōu)?。

?向右推，數(shù)值從128變?yōu)?55。

在“輸出模擬2”中，每個(gè)操縱手柄有四個(gè)變量（上、下、左和右）。當(dāng)用戶在一個(gè)方向上移動(dòng)操縱桿時(shí)，4個(gè)變量的值從0變?yōu)?00。左右操縱手柄各有四個(gè)獨(dú)立變量。

對(duì)于PS2控制器按鈕管理，只需檢查我們感興趣的按鈕的狀態(tài)并讀取返回值，即可：

?如果按下按鈕，則為0；

?如果未按下按鈕，則為1。

例如，如果我們想知道您是否按下了“UP”按鈕，我們必須編寫以下聲明：

ps2.getval（p_up）==0

也可以將“p_up”替換為相應(yīng)的十進(jìn)制值，在本例中為“4”。

屏蔽PS2還能夠處理PS2控制器中的兩個(gè)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)決定振動(dòng)（左和右）：相關(guān)命令需要兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)指示哪個(gè)電機(jī)必須振動(dòng)，而下一個(gè)字節(jié)（第二個(gè)字節(jié)）指示發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)或速度。

為了使用處理來自PS2控制器的命令的屏蔽，我們使用了shield_PS2.h庫(kù)。在草圖的開頭，我們包含了語句“#include<shield_PDS2.h>”，該庫(kù)需要正確控制屏蔽。

讓我們繼續(xù)看LED投影儀的控制，它通過Arduino Uno Rev3模擬引腳A0進(jìn)行操作，該引腳連接到檢測(cè)環(huán)境光的光刻膠；當(dāng)照明低于閾值時(shí)，草圖激活投影儀，或者更確切地說，它向卡RELAY1CH提供高邏輯狀態(tài)，該卡包含由邏輯電平激活的繼電器。在我們的項(xiàng)目中，我們使用閉合和常開之間的交換，并通過它觸發(fā)為投影儀供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源，因此當(dāng)Arduino Uno（通過其數(shù)字引腳13）進(jìn)入邏輯狀態(tài)1時(shí)，繼電器發(fā)出咔噠聲并閉合上述觸點(diǎn)，打開LED投影儀。