【學霸帶節奏】教你DIY跳舞機器人之“軟件部分”（連載中）

通過上周介紹的小π機器人硬件電路部分和3D打印部分，你是否已經打造出一款屬于自己的小π機器人呢？這周小編將要給大家介紹小π機器人的軟件部分，讓屬于你自己的小π動起來。

一、軟件架構與通信協議

1、軟件架構

在開始前，我們來復習一下第一期文章中提到的軟件架構圖。

首先介紹一下軟件的架構，小π機器人的軟件部分主要包含手機APP程序、上位機程序、主控單片機程序和從機程序構成。本周主要講解主控單片機程序和從機程序，下周將講解手機APP程序和上位機程序。小π機器人的軟件架構圖如下圖所示：

主控單片機收到數據以后先判斷是動作指令還是其他指令。如果是動作指令，直接將指令發給動作控制單片機，動作控制單片機調用不同的數組，輸出不同的PWM，使舵機的轉過不同角度，從而實現各種不同動作。如果是其他指令，比如三色RGB燈的控制，解析出三色的數據，輸出不同電壓，實現臉部變色功能。比如喇叭，可以播放SD卡中的音樂。

2、通信協議

為了方便手機與單片機之間、上位機與單片機之間、主機與從機之間的通信，我們定義了屬于自己的通信協議。

通信協議的基本格式為<指令,參數>。

例如動作指令<FW,5>。其中，“<”代表指令開始；指令“FW”是英文向前forward的縮寫，代表向前的命令；英文“,”把命令和參數分隔開；參數“5”代表指令FW的參數為5；“>”代表指令結束。這句話的意思就是向前走5步。其它動作指令也是類似的。

燈光顏色選擇指令由三條指令構成，分別為<R,R的參數>，<G,G的參數>和<B,B的參數>。眾所周知，紅、綠、藍是光的三原色，通過控制紅、綠、藍的比例，就可以實現任意顏色的輸出。R、G、B是英文紅色red、綠色green、藍色blue的首字母，分別代表紅色、綠色和藍色。R、G、B的參數變化范圍為0-255，這樣就可以變化出1600多萬種顏色。

二、單片機選擇

為了方便大家編寫單片機的程序，我們采用的是完全開源的Arduino系列單片機。Arduino由一個歐洲開發團隊于2005年冬季為藝術生開發，所以比較簡單，容易上手。Arduino由硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)組成。下圖為常用的幾款Arduino。

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統上運行。Arduino語言基于wiring語言開發，是對 avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎、編程基礎，簡單學習后，人人都可以快速的進行開發。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協議范圍內里可以任意修改原始設計及相應代碼。

總之，Arduino具有跨平臺、開發簡單、開源的優點，所以我們采用的Arduino系列單片機。

三、運動控制簡析

小π機器人有4個自由度，換句話說，小π機器人的運動主要是通過控制4個舵機來實現的。4個舵機在一定時間內依次轉動不同的角度，再通過一定的排列組合，就可以實現前進、左轉、右轉、后退等簡易動作和搖頭、抬腳、晃腿、彈跳等復雜的動作。

舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線。舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。

由于一次改變PWM占空比太多，舵機轉動速度過快、轉動角度太大，會造成動作不協調、也不美觀，而且運動過快容易造成小π機器人的不平衡。所以要控制小π機器人做一個特定的動作，只能分多次控制舵機的角度，每次只轉動一點角度，延時一定時間后再次改變舵機的角度，這個延遲時間一般為幾個毫秒，這樣就可以使舵機比較平緩的轉動相應的角度。

四、其余硬件部分程序

1、藍牙模塊

   藍牙模塊使用的是HC-06，負責與手機之間進行通信。單片機與藍牙模塊之間的通信采用的是串口通信。波特率設置為115200，設置代碼為Serial.begin（115200）。發送<FW,5>命令代碼為Serial.println（”<FW,5>”）。

2、音頻播放模塊

  主控單片機通過模擬人按壓獨立按鍵產生一個脈沖信號控制藍牙音頻模塊，實現切換歌曲、調節音量、播放與暫停的功能。

  例如，定義播放/暫停鍵為2號端口，初始化代碼為：

  pinMode(2,OUTPUT);

  產生一個脈沖信號代碼為：

  digitalWrite(2,HIGH);//2號端口置為高電平

  delay(200);//延時200毫秒

  digitalWrite(2,LOW); //2號端口置為低電平

  delay(1000);//延時1秒

3、七彩LED控制

  主控單片機產生三個不同PWM信號實現對七彩LED的控制，最終達到燈光秀的效果。

PWM信號是數字方波，其中頻率是恒定的，但信號接通時間的一小部分（占空比）可以在0和100％之間變化。

4、觸摸功能

  三根觸須使用的是金屬材料，人摸觸須時，由于端口電平的改變觸發中斷，執行相應的操作。

  中斷設置代碼如下：

  pinMode( pinInterrupt, INPUT);//設置管腳為輸入

  //Enable中斷管腳, 中斷服務程序為onChange(), 監視引腳變化

  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinInterrupt),onChange,CHANGE);

5、語音互動功能

  將語音以數組的形式存到SD卡中，每次進行語音互動時，提取相應的數據，產生音頻輸出信號，經過濾波后通過喇叭播放相應的語音。

6、SD卡模塊

  SD卡模塊讀寫可以采用SPI模式或者SDIO模式讀寫數據。

   SD庫允許讀取和寫入SD卡，例如在Arduino以太網盾上。該庫支持標準SD卡和SDHC卡上的FAT16和FAT32文件系統。它使用簡短的8.3名稱作為文件。傳遞給SD庫函數的文件名可以包含用正斜杠分隔的路徑，例如“directory / filename.txt”。由于工作目錄始終是SD卡的根目錄，因此無論是否包含前導斜杠（例如，“/file.txt”等同于“file.txt”），名稱都是指同一個文件。從版本1.0開始，該庫支持打開多個文件。

   微控制器和SD卡之間的通信使用SPI，它發生在數字引腳11,12和13（在大多數Arduino板上）或50,51和52（Arduino Mega）上。另外，必須使用另一個引腳來選擇SD卡。這可以是硬件SS引腳 - 引腳10（在大多數Arduino板上）或引腳53（在Mega上） - 或調用SD.begin（）時指定的另一個引腳。 請注意，即使您不使用硬件SS引腳，也必須將其保留為輸出或SD庫不起作用。

   這些模塊的代碼都比較簡單、網上也有大量的例程。需要什么程序，大家自由組合就好了。

【參考資料】

PMW：https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM

SD卡：https://www.arduino.cc/en/Reference/SD