[如何製作機器人 6] 控制你的機器人

這次推薦的是另一系列非常經典的製作機器人入門教學文章 。一共分成十個單元,每單元介紹一個主題 。我們將陸陸續續和各位分享!

課程目錄

第1課 - 入門
第2課 - 選擇機器人平台
第3課 - 了解制動器
第4課 - 了解微控制器
第5課 - 選擇馬達控制器
第6課 - 控制你的機器人
第7課 - 使用感知器
第8課 - 使用正確的工具
第9課 - 機器人組裝
第10課 - 機器人控制程式編寫

第6課 – 控制你的機器人

我們為“機器人”選擇的定義: 要求設備獲取有關其環境的資料,做出決定,然後採取相應的措施。這也包含半自動的機器人這個選項(一部份由人控制和一部份由機器人自行控制)。一個很好的例子是複雜的水下機器人; 使用者控制機器人的基本運動,控制板上的處理器會自行測量並對水流作出反應,以確保機器人保持在相同位置而不漂移。機器人上的攝影機會將所拍攝到的影像傳送回給使用者,而板載傳感器可以追蹤水溫,壓力的變化。如果機器人失去與地面的通訊,自主控制程式將會介入並讓機器人回到水面。因此, 如果你想要能夠發送/接收來自機器人的訊號,你要決定機器人自主控制需要到那個層級,你希望它是有線,無線或是自主控制。

有線控制

直接有線控制tamiya-remote-controlled-forklift-70115-150x150

最簡單控制車輛的方式是使用電線將手持控制器直接連接到車輛。控制器上的開關,旋鈕,控制桿,搖桿和按鈕可以讓用戶直接控制車輛,而無需使用複雜的電子裝置。在這種情況下,馬達和電源可以直接與開關連接來控制其向前/向後旋轉。這一類的車輛通常不具有智能,並且被認為更像是“遙控機器”而不是“機器人”。

優點

  • 機器人沒有操作時間限制,因為它可以直接連接到電源
  • 沒有斷訊的疑慮
  • 最精簡的的電子零件和最少的複雜性
  • 機器人重量輕或具有增加荷重的能力
  • 機器人如果出現問題可以即時處理(對於水下機器人尤其重要)

缺點

  • 電線可能被卡住或阻塞(並可能被切斷)
  • 距離受電線長度的限制
  • 拖動長電線會增加摩擦力,並可能減慢甚至阻止機器人移動

電腦連線控制little-hercules-auv-e1293653991447-150x150

下一步是將微控制器安裝到車輛中,但繼續使用線控。將微控制器連接到電腦的I / O接口(例如USB接口)允許您使用鍵盤(或鍵盤),操縱桿或其他週邊設備來控制它的動作。將微控制器家加入開發專案後 你需要寫程式來讓機器人對輸入產生相對應的反應。代替使用膝上型或桌上型電腦,簡易小筆電是非常合適的選擇,因為它們的價格低,尺寸小且重量輕。
優點

  • 和直接有線控制有相同的優點
  • 更複雜的行為可以用程式控制或整合到一個按鈕或指令。
  • 更多控制器可以選擇(滑鼠,鍵盤,搖桿等)
  • 增加了板載的智能意味著它可以當成與傳感器的介面並自行做出某些決定

缺點

  • 成本高於單純線控的機器人,因為增加了電子零件零件ˋ
  • 與直接有線控制的缺點相同

以太網ethernet-rj45-connector-150x150

電腦控制其中一個應用是使用以太網接口。連接到路由器的機器人(因此可以通過網路控制)也可以用於控制移動機器人(雖然不是很實用)。設置可以使用網路通訊的機器人相當複雜,因此WiFi更常被拿來使用(無線互聯網)。有線和無線組合也是一種選擇,收發器(發送和接收)直接插線連結到網路,然後數據將以無線方式發送到機器人。
優點

  • 機器人可以通過網路從世界上任何地方對它做控制
  • 機器人不限於操作時間,因為它可以通過以太網卡來供電(PoE)。
  • 使用網路協議(IP)可以簡化和改進通訊方案。
  • 與直接有線電腦控制有相同的優點

缺點

  • 因為需要編寫程式因此更為複雜
  • 電線可能被卡住或阻塞(並可能被切斷)
  • 距離受到導線長度的限制
  • 拖動長導線會增加摩擦力,並可能減慢甚至阻止機器人移動

無線控制

紅外線ir-remote-150x150

紅外發射器和接收器取代了將機器人連接到使用者之間的電線。這通常是初學者的里程碑。紅外控制需要有“視線”才能發揮作用; 接收機必須能夠“始終”看到發射機以便接收數據。紅外遙控器(例如電視的通用遙控器)用於向連接到微控制器的紅外接收器發送命令,微控制器將依信號控制機器人的動作。

優點

  • 低成本
  • 簡單的電視遙控器即可用作控制器

缺點

  • 發射器和接收器之間不能有障礙物
  • 距離有限

無線射頻(RF)general-rf-data-telemetry

市售遙控器(R / C)使用在發射器和接收器裏的小型微控制器來發送,接收和解讀經由射頻(RF)所發送出的資料 。接收器盒內有接收器和小伺服馬達控制器的PCB(印刷電路板)。RF通訊需要與接收器匹配/配對的發射器,或收發器(其可以發送和接收數據)。RF在接受器與發射器之間不需要保持暢通,也可以提供大的距離(傳輸距離)。標準的射頻設備可以允許在幾公里之間的設備之間的數據傳輸,更專業的RF裝置的傳輸範圍甚至沒有限制。

XBee和Zigbee模組也使用射頻通信,但允許用戶改變許多需用到的通訊參數。這些模塊具有特定的架構,並且僅由特定公司生產。它們的主要優點是它們提供了非常穩定且容易設定的連結和涵蓋了所有通訊協議的細節。

許多機器人製造商選擇製造具有RF能力的半自動機器人,因為它允許機器人盡可能的具有自主性,向用戶提供反饋,並且在需要時仍給予用戶對其某些功能可以進行控制。

優點

  • 可遠距離控制
  • 安裝很簡單
  • 全方位(阻礙但不完全被牆壁和障礙物阻擋)

缺點

  • 極低的數據速率(僅限簡單命令)
  • 需注意傳輸頻率 – 它們可以被共享

藍牙bluetooth-data-telemetry

藍牙是RF的一種形式,並遵循用於發送和接收數據的特定協議。正常的藍牙範圍通常限制在10米左右,雖然它的優點是允許用戶通過藍牙功能的設備,如手機,PDA和筆記本電腦控制他們的機器人(雖然可能需要自行編寫程式來建立一個介面)。就如同RF一樣,藍牙提供雙向通信。
優點

  • 可從任何支持藍牙的裝置(通常需要額外的程式),如智能手機,筆記本電腦,桌上型電腦等
  • 更高的數據速率可能
  • 全方位的(發射器/接收器間不需要保持暢通, 甚至可穿透部分牆壁)

缺點

  • 設備需要“配對”
  • 距離通常約為10m(無障礙物)

WiFiwi-fi-logo-e1293828600134-150x104

WiFi也是機器人的一個選項; 能夠通過網路無線地控制機器人給無線控制帶來一些明顯的優點(也包含一些缺點)。為了設置WiFi機器人,您需要連接到網路的無線路由器和機器人本身的WiFi裝置。對於機器人,還可以使用可用TCP / IP及有無線路由器的裝置。

優點

  • 從世界上任何地方都可以控制,只要它在無線路由器的範圍內
  • 高資料傳輸速度

缺點

  • 需要添加程式
  • 最大範圍通常由無線路由器還來決定

GPRS /蜂窩網路cell-phone-1-150x150

另一種本來是用在人與人之間溝通的無線通訊技術,手機,現在也被應用於控制機器人。由於蜂窩頻率有被規範,在機器人上使用蜂窩是通訊模塊通常需要增加對編程的耐心, 並且需對蜂窩網路系統和規則有所理解。

優點

  • 機器人可以在任何有蜂巢信號的地方進行控制
  • 可以直接與衛星連結

缺點

  • 安裝和配置可能很複雜 – 不適合初學者
  • 每個網路都有自己的要求/限制
  • 蜂巢業務不是免費的; 通常,您傳輸/接收的數據越多,您需要支付的金額越多。
  • 系統還沒有很好地設置為機器人使用

自主控制microcontroller

下一步是把你機器人裏頭微控制器的潛能全部使釋放出來,並寫入程式指令讓它會對於來自其傳感器的輸入做出反應。自主控制可以是各種形式:預先編寫程式但沒有來自環境的反饋,有限的傳感器反饋和最終複雜的傳感器反饋。真正的“自主控制”涉及各種傳感器和程式,以允許機器人自身確定在任何給定情況下需採取的最佳動作。

目前在自主機器人上所實施的最複雜的控制方法是視覺和聽覺命令。對於視覺控制,機器人尋找人或物件以獲得其命令。讓機器人光由看到一張畫有左轉箭頭的紙就能做出左轉的動作, 它的困難程度會遠比想像的要難得多。諸如“左轉”的聽覺命令也需要相當多的程式編寫。使用複雜的程式來命令機器人做出像是“從冰箱拿一杯水給我”或“把我放在門口的的鞋拿過來”以經不再是幻想,但需要一個非常高水準的程式和投入很多時間。

優點

  • 這是“真正的”機器人
  • 任務可以簡單到由傳感器讀數來閃爍燈光,到將太空梭著陸在遙遠的行星上。

缺點

  • 它的極限就是程式開發者的極限 如果它做了你不想要它做的事情,唯一的選擇是回頭檢查你的程式,修改它,並重新更改上傳到機器人。

實際示例arduino-shields

對於我們的專案,目標是製作一個能夠根據來自傳感器的外部輸入做出決策的自主移動車。如果機器人“行為異常”,它會毫不考慮地將它關機。然而,如果具有半自主(無線)控制的選項並允許我們可以搖控車輛也是很有吸引力的選項。我們不考慮有線控制。

在上一課所選擇微控制器採用擴充板是基於Ardino 的腳位所開發的板子。坊間有許多不同用途的擴充板,可以用來使用以太網路,Xbee,或藍牙通訊。甚至有擴充板,允許GPRS(如蜂巢)通訊。因此,入門的機器人可以不需要有擴充的模組,但要確保他們具有無線通訊的能力。

原著: Coleman Benson/譯者: 阿里哥

文章出處: RobotShop

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