机器人控制器编程课程-教案03-进阶

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                 本文链接：[https://blog.csdn.net/ZhangRelay/article/details/101011276](https://blog.csdn.net/ZhangRelay/article/details/101011276) 

先简要复习一下上次课的内容，主要介绍了一些理论上的知识，希望有一个宏观上的概念。

比如点-线-面-体，>感知<~~>控制<的维度需要匹配等。更多详细内容可以查看：

机器人感知-视觉部分：https://blog.csdn.net/ZhangRelay/article/details/81352622

并思考：二维空间导航与三维空间抓取操作的异同之处？

机器人的空间、时间和频率

同时可以回顾，信息传输的时间与频率的关系，各种维度的信息需要的数据带宽。

书中40页先讲述了数字IO，然后在54页讲解了模拟IO。这些都是arduino本身具备的功能。

串口的使用（67页），类似于点对点的网络，使得其可以与其他单片机或各种支持串口通信的设备交互信息。

时间控制函数也需要理解后再掌握其用法。

arduino是一款典型的开源IoT设备，课程本身只针对讲解C语言编程和ROS接口。

但是arduino玩法是非常多了（APP与API），下面简单列一下，有兴趣的小伙伴可以自己动手尝试起来：

全仿真：7 best Arduino simulators for PC to use today

课程重点讲解Proteus 8 + Arduino：

模拟输入调节LED闪烁时间

Matlab：完美支持，自主学习探索

Arduino Support from MATLAB

Python：Arduino-Python3-Command-API

arduino-python教程

JavaScript：http://johnny-five.io/

johnny-five

总之，目前主流的编程语言，都可以实现对Arduino直接或者间接代码调试！！！（ROS部分稍后详细介绍）

代码也不想写，可不可以呢？Scratch+Arduino，需要先安装插件。

Chrome插件

这里需要注意，下图中间的arduino指示灯：

黄色-设备未连接

配置正确后，可以进行框图程序设计。

云端编程，免费的云端ROS学习体验环境可以参考如下链接：

https://www.shiyanlou.com/courses/854

arduino自然也提供了类似功能，不需要在本地安装arduino IDE：

create

原理示意图

连线示意图

编译程序并下载

下载成功！

C语言编程官方案例

1.基础知识 Basics

• Analog Read Serial：读取电位计，将其状态输出到Arduino串行口监视器。
• Bare Minimum：启动Arduino所需的最少代码。
• Blink：打开和关闭LED。
• Digital Read Serial：读取开关量，将状态发布到Arduino串行监视器。
• Fade（呼吸灯）：演示使用模拟输出实现渐变亮度的LED。
• Read Analog Voltage：读取模拟输入并将电压发布到串口监视器。

2.数字量 Digital

• Blink Without Delay：不使用延迟 delay() 功能使LED闪烁。
• Button：使用按钮控制LED。
• Debounce：读取一个按钮状态，过滤噪音。
• Digital Input Pullup：使用pinMode（）演示INPUT_PULLUP的使用。
• State Change Detection：计算按钮按下的次数。
• Tone Keyboard：使用力传感器和压电扬声器的三键音乐键盘。
• Tone Melody：用压电扬声器演奏旋律。
• Tone Multiple：使用tone（）命令依次在多个扬声器上播放音调。
• Tone Pitch Follower：根据模拟输入在压电扬声器上演奏音高。

3.模拟量 Analog

• Analog In Out Serial：读取模拟输入引脚，输出结果，然后使用该数据调暗或增亮LED。
• Analog Input：使用电位计控制LED的闪烁。
• Analog Write Mega：使用Arduino Mega板逐个打开和关闭12个LED。
• Calibration：定义预期模拟传感器值的最大值和最小值。
• Fading：使用模拟输出（PWM引脚）缓慢变化亮度的LED。
• Smoothing：平滑模拟输入的多个读数。

4.通信 Communication

这些示例包括允许Arduino与计算机上运行的Processing进行通信的代码。有关更多信息或下载Processing，请参阅processing.org。还有Max / MSP补丁也可以与每个Arduino进行通信。有关Max / MSP的更多信息，请参阅Cycling 74。

• ASCIITable：演示Arduino的高级串行输出功能。
• Dimmer：移动鼠标以改变LED的亮度。
• Graph：将数据发送到计算机并在Processing中绘制图表。
• Midi：连续发送MIDI音符信息。
• Multi Serial Mega：使用Arduino Mega上提供的两个串行端口。
• Physical Pixel：通过Processing或Max / MSP向Arduino发送数据来打开和关闭LED。
• Read ASCII String：解析以逗号分隔的整数字符串以调节LED亮度。
• Serial Call Response：使用呼叫和响应（握手）方法发送多个变量。
• Serial Call Response ASCII：使用呼叫和响应（握手）方法发送多个变量，并在发送之前对值进行ASCII编码。
• Serial Event：演示SerialEvent（）的使用。
• Serial Passthrough：演示如何虚拟连接Serial和Serial1。
• Virtual Color Mixer：将多个变量从Arduino发送到您的计算机，并在Processing或Max / MSP中读取它们。

5.控制结构 Control Structures

• Arrays：For循环示例的变体，演示如何使用数组。
• For Loop Iteration：使用for循环和控制多个LED。
• If Statement Conditional：使用'if语句'根据更改输入条件更改输出条件。
• Switch Case：如何在离散数量的值之间进行选择。
• Switch Case 2：第二个switch-case示例，显示如何根据串行端口中收到的字符执行不同的操作。
• While Statement Conditional：如何在读取按钮时使用while循环校准传感器。

6.传感器 Sensors

• ADXL3xx：读取ADXL3xx加速度计。
• Knock：用压电元件检测敲击。
• Memsic2125：双轴加速度计。
• Ping：使用超声波测距仪检测物体。

7.显示 Display

• Bar Graph：制作LED条形图。
• RowColumnScanning：控制8x8 LED矩阵。

8.字符串 Strings

• Character Analysis：使用运算符识别我们正在处理的字符类型。
• String Addition Operator：以各种方式将字符串添加到一起。
• String Append Operator：使用+ =运算符和concat（）方法将字符串附加到字符串。
• String Case Changes：更改字符串的大小写。
• String Characters：获取/设置字符串中特定字符的值。
• String Comparison Operators：按字母顺序比较字符串。
• String Constructors：初始化字符串对象。
• String Index Of：查找字符串中字符的第一个/最后一个实例。
• String Length & String Length Trim：获取并修剪字符串的长度。
• String Replace：替换字符串中的单个字符。
• String Start With Ends With：检查给定字符串的开头或结尾字符/子字符串。
• String Substring：查找给定字符串中的“短语”。
• String To Int：允许您将String转换为整数。

1. USB （此部分课程中不讲解C语言版本，UNO不支持！但是通过ROS可以UNO功能极大扩展）

键盘和鼠标示例是Leonardo，Micro和Due独有的。演示了如何使用板上独有的库。

键盘 KEYBOARD

• Keyboard Logout：使用键盘命令注销当前用户。
• Keyboard Message：按下按钮时发送文本字符串。
• Keyboard Reprogram：在Arduino IDE中打开一个新窗口，并使用简单的闪烁程序重新编程Leonardo。
• Keyboard Serial：从串行端口读取一个字节，然后发回键击。
• Keyboard Mouse Control：在一个程序中演示鼠标和键盘命令。

鼠标 MOUSE

• Button Mouse Control：使用5个按钮控制光标移动。
• Joystick Mouse Contol：按下按钮时，使用操纵杆控制计算机的光标移动。

1. Starterkit和BasicKit

套件中包含的Project Book中提供 了StarterKit示例的教程，如果您购买了BasicKit，将能够在Project Ignite上在线访问项目。

1. Arduino ISP

Arduino ISP将Arduino转变为在线编程器，重新编程AtMega芯片。如果需要在Arduino上重新加载引导加载程序，如果 从面板上的Arduino转到AtMega ，或者如果在面包板上制作自己的Arduino兼容电路，则非常有用。

ROS接口官方案例

1. Arduino IDE设置 本教程逐步介绍如何设置Arduino IDE以使用rosserial。
2. Hello World（发布器示例） 本教程逐步介绍如何使用rosserial创建发布器。
3. 闪烁LED Blink（接收器示例） 本教程逐步介绍如何将rosserial与接收器一起使用。
4. 记录rosserial 本教程逐步介绍了如何使用rosserial的日志记录。
5. 使用时间和坐标变换TF 本教程介绍如何使用ros :: Time和TF在Arduino上创建tf发布者。
6. 温度感应器 使用TMP102测量温度
7. 按钮 监视按钮并在ROS中发布其状态
8. 用rosserial_arduino来制作CMake 本教程介绍如何将CMake构建系统与rosserial_arduino一起使用。
9. 伺服控制器示例 使用rosserial和Arduino控制R / C伺服的教程
10. IR Ranger教程 使用带有rosserial和Arduino的IR Ranger
11. SRF08超声波传感器 在本教程中，我们将使用Arduino和SRF08超声波传感器作为测距仪.SRF08通过SPI / I2C与Arduino通信。
12. BlinkM教程 使用Arduino和rosserial通过ROS控制BlinkM
13. Arduino示波器 在本教程中，我们将使用Arduino的ADC（模数转换器）和rqt_plot制作一个简易的示波器。
14. NodeHandle和ArduinoHardware的高级配置。 本教程逐步介绍如何配置NodeHandle和ArduinoHareware以更好地满足用户需求。

rosserial overview:

• NodeHandles and Initialization
• Messages
• Publishers and Subscribers
• Time
• Logging
• Limitations
• Protocol
• Parameters

配置具体内容参考初识，链接如下：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1508715

了解Arduino和ROS之后，如何将两者联系起来呢？

这里以最新版本的ROS 1 Melodic做介绍。安装对应功能包：

sudo apt install ros-melodic-rosserial-arduino

全部支持的串口通讯方式有：

ros-melodic-rosserial ros-melodic-rosserial-server

ros-melodic-rosserial-arduino ros-melodic-rosserial-server-dbgsym

ros-melodic-rosserial-client ros-melodic-rosserial-tivac

ros-melodic-rosserial-embeddedlinux ros-melodic-rosserial-vex-cortex

ros-melodic-rosserial-mbed ros-melodic-rosserial-vex-v5

ros-melodic-rosserial-msgs ros-melodic-rosserial-windows

ros-melodic-rosserial-python ros-melodic-rosserial-xbee

安装完成后，进行环境配置：

打开Arduino IDE（本文版本为1.8.9），直接进入库管理（library Manager），在搜索框输入ros查找：

rosserial arduino库

确保Rosserial Arduino Library 0.7.9安装完成。

这时候，就可以在文件File，示例Examples，自定义示例Costom中找到丰富的示例：

rosserial arduino library

打开一个示例看一看吧，Blink（ROS版本）：

/*

* rosserial Subscriber Example

* Blinks an LED on callback

*/

#include <ros.h>

#include <std_msgs/Empty.h>

ros::NodeHandle nh;

void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg){

digitalWrite(13, HIGH-digitalRead(13)); // blink the led

}

ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", &messageCb );

void setup()

{

pinMode(13, OUTPUT);

nh.initNode();

nh.subscribe(sub);

}

void loop()

{

nh.spinOnce();

delay(1);

}

注意串口权限问题，sudo chmod 777 /dev/ttyACM0。/dev/ttyACM0为对应串口号。

程序上传至开发版后，依次运行如下命令：

1. roscore
2. rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0

使用如下命令开关LED灯：

rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty --once

闪烁：

rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty -r 2

/*

* rosserial PubSub Example

* Prints "hello world!" and toggles led

*/

#include <ros.h>

#include <std_msgs/String.h>

#include <std_msgs/Empty.h>

ros::NodeHandle nh;

void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg){

digitalWrite(13, HIGH-digitalRead(13)); // blink the led

}

ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", messageCb );

std_msgs::String str_msg;

ros::Publisher chatter("chatter", &str_msg);

char hello13 = "hello world!";

void setup()

{

pinMode(13, OUTPUT);

nh.initNode();

nh.advertise(chatter);

nh.subscribe(sub);

}

void loop()

{

str_msg.data = hello;

chatter.publish( &str_msg );

nh.spinOnce();

delay(500);

}

pubsub

rosgraph

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