了得網計算機/網絡_Arduino 機器人制作、編程與競賽（中級）

內容簡介

本書以教娛機器人的制作應用和競賽機器人的制作競賽為目標，結合硬件模塊和軟件編程，循序漸進地講解每個模塊所需專業知識和技術，然後將這些知識和技術應用到產品制作和開發中。本書第1章介紹了Arduino的基礎知識，以方便一些基礎比較薄弱的讀者跳過入門教程直接學習中級教程。接著介紹循線音樂機器人的制作，重點講解如何將一首曲子轉換成電子音樂數據，然後如何制作播放器，並將播放器與循線程序結合，讓機器人達到邊循線邊播放音樂的效果，而且做到完美集成。第3章介紹超聲避障機器人的制作，重點是超聲波傳感器的距離測量和Arduino脈衝時間測量函數的應用，並講解智能電子產品設計中要注意的容錯問題，然後完成一個超聲避障漫遊機器人的制作。第4章講解超聲跟*器人的設計和制作，重點引入P控制器的算法和編程，講解閉環控制的概念和編程實現方法，*後制作出一個反應靈敏的跟*器人。第5章介紹紅外遙控機器人的制作，重點講解紅外遙控編碼和解碼，了解紅外編碼協議和解碼程序的編寫方法，*後制作出一個紅外遙控機器人。第6章將前5章的功能集成，制作出一個由紅外遙控器控制的具備四種工作模式的教娛機器人產品，重點講解如何利用Arduino的中斷功能將各個功能模塊完美集成到一起，同時結合產品開發過程，按照構思、設計、實現和操作四個步驟來講解具體產品的開發流程。第7章結合紅外測距傳感器的應用，講解AD接口模擬量和數字量的概念和模數轉換技術，並將其應用到紅外測距傳感器，制作紅外雲臺漫遊機器人。第8、9和10章結合中國教育機器人大賽項目，在原有教娛機器人基礎上進行改造和拓展，制作智能搬運、擂臺和滅火機器人。重點介紹競賽規則，競賽策略的編程和完整競賽程序的設計和實現。

作者簡介

秦志強，男，華中科技大學與香港科技大學聯合培養博士，上海交通大學博士後，高級工程師，鷗鵬機器人、中科樂活動中心創始人，中國教育機器人大賽策劃人，著名的教育專家，長期從事教育機器人的教育和研究工作，著作豐富，其中有多部獲評十二五國家規劃教材。

目錄
第 1章為什麼要制作OpenBot …………………………………………………… 001
1.1 OpenBot 是什麼？ ……………………………………………………………… 001
1.2 認識 OpenBot 2E的控制器Arduino QTSTEAM ……………………………… 002
1.3 組裝一輛標準的 OpenBot 2E …………………………………………………… 005
1.4 測試組裝好的 OpenBot 2E機器人 …………………………………………… 005
1.5 OpenBot 2E 演示軟件的設計 …………………………………………………… 008
1.6 OpenBot 2E 的拓展和競賽 ……………………………………………………… 008目錄
第 1章為什麼要制作OpenBot …………………………………………………… 001
1.1 OpenBot 是什麼？ ……………………………………………………………… 001
1.2 認識 OpenBot 2E的控制器Arduino QTSTEAM ……………………………… 002
1.3 組裝一輛標準的 OpenBot 2E …………………………………………………… 005
1.4 測試組裝好的 OpenBot 2E機器人 …………………………………………… 005
1.5 OpenBot 2E 演示軟件的設計 …………………………………………………… 008
1.6 OpenBot 2E 的拓展和競賽 ……………………………………………………… 008
第 2章OpenBot 2E循線音樂程序設計 ………………………………………… 009
2.1 循線程序設計 …………………………………………………………………… 009
2.2 音樂播放程序設計 ……………………………………………………………… 017
2.3 循線音樂播放程序綜合設計 …………………………………………………… 031
第 3章OpenBot 2E超聲避障程序設計 ………………………………………… 039
3.1 超聲波傳感器測量距離 ………………………………………………………… 040
3.2 超聲波測距避障程序設計 ……………………………………………………… 042
3.3 超聲波測距掃描與高級導航程序設計 ………………………………………… 045
第 4章OpenBot 2E超聲跟隨程序設計 ………………………………………… 049
4.1 簡易跟隨程序設計 ……………………………………………………………… 050
4.2 高級跟隨程序設計 ……………………………………………………………… 052
第 5章OpenBot 2E紅外遙控程序設計 ………………………………………… 055
5.1 迷你紅外遙控器 ………………………………………………………………… 055
5.2 紅外編碼基礎 …………………………………………………………………… 056
5.3 紅外遙控解碼程序設計 ………………………………………………………… 060
5.4 紅外遙控程序的測試和調試 …………………………………………………… 072
5.5 紅外遙控機器人 ………………………………………………………………… 072
第 6章OpenBot 2E綜合演示程序 ……………………………………………… 075
6.1 綜合演示程序構思——產品開發需求 ………………………………………… 075
6.2 綜合演示程序設計 ……………………………………………………………… 076
6.3 綜合演示程序實現 ……………………………………………………………… 084
6.4 綜合演示程序的操作競賽和改進 ……………………………………………… 109
第 7章OpenBot 2E拓展：紅外測距導航 ……………………………………… 113
7.1 紅外測距傳感器的拓展安裝 …………………………………………………… 114
7.2 紅外測距程序實現 ……………………………………………………………… 117
7.3 雙紅外測距導航程序設計 ……………………………………………………… 121
7.4 紅外測距雲臺安裝和測試 ……………………………………………………… 122
7.5 紅外測距雲臺導航機器人 ……………………………………………………… 128
第 8章人機擂臺機器人大戰 ……………………………………………………… 137
8.1 人機擂臺機器人競賽規程 ……………………………………………………… 137
8.2 紅外搜索擂臺機器人的制作和編程 …………………………………………… 141
8.3 超聲波搜索擂臺機器人的制作和編程 ………………………………………… 143
8.4 遙控擂臺機器人的制作和編程 ………………………………………………… 143
8.5 人機大戰 ………………………………………………………………………… 144
第 9章機器人搬運競賽 …………………………………………………………… 145
9.1 搬運競賽規程 …………………………………………………………………… 145
9.2 智能搬運機器人傳感器的選型安裝和程序調試 ……………………………… 145
9.3 智能搬運小車程序的整合設計 ………………………………………………… 152
第 10章滅火機器人制作與競賽 …………………………………………………… 179
10.1 機器人滅火競賽規則 ………………………………………………………… 179
10.2 滅火機器人傳感器選型和安裝 ……………………………………………… 181
10.3 編寫尋找火源和滅火程序 …………………………………………………… 184
10.4 迷宮導航程序設計 …………………………………………………………… 187
10.5 迷宮導航和滅火程序的整合設計 …………………………………………… 189
附錄 A本書用到的套件和器材 …………………………………………………… 209
A.1 OpenBot 2E 套件零配件清單 …………………………………………………… 209
A.2 OpenBot 2E 組裝分解圖 ………………………………………………………… 210
A.3 紅外測距傳感器拓展包 ………………………………………………………… 213
A.4 智能搬運機器人拓展包 ………………………………………………………… 213
A.5 擂臺機器人套件 ………………………………………………………………… 214
A.6 滅火機器人拓展包 ……………………………………………………………… 215
附錄 BArduino的基本函數 ………………………………………………………… 216
B.1 數字 I/O接口的操作函數 ……………………………………………………… 216
B.2 模擬 I/O接口的操作函數 ……………………………………………………… 216
B.3 高級 I/O接口函數 ……………………………………………………………… 217
B.4 時間函數 ………………………………………………………………………… 218
B.5 中斷函數 ………………………………………………………………………… 219
B.6 串口通信函數 …………………………………………………………………… 219
附錄 C中國教育機器人大賽介紹 ………………………………………………… 221

前言

前言
創作背景
機器人是一個典型的光機電算一體化繫統，它融合了光學、機械、電子、傳感器、通信、計算機軟硬件和人工智能等眾多先進技術，是目前世界各國高校進行創新思維訓練、創新技能訓練、工程實踐訓練理想的平臺，吸引了無數愛好者參與其中。
目前市面上已經有大量的 Arduino學習套件和教程，這些教程基本上都是先簡單地介紹各種電機的控制、傳感器的應用和無線數據傳輸等，然後配上一些簡單的案例代碼，後再加上一兩個簡單的綜合應用。這種學習方式沒有與具體的應用背景相結合，學習久了會逐漸失去趣味性，隻能達到科普的效果，很難真正指導學習者成為一個能解決復雜問題的創客。雖然也有一些將Arduino和機器人結合的教程，但是同樣缺乏繫統全面的結合和螺旋式上升的引導。
隨著基於 Arduino的傳感器、機電控制模塊、通信模塊等在市場上的大量湧現，急需一本教程能夠繫統地將機器人的各個部分與 Arduino結合起來，並詳細介紹如何利用這些模塊來設計智能機器人產品。本書正是在這樣的背景下創作的。

前言

創作背景

機器人是一個典型的光機電算一體化繫統，它融合了光學、機械、電子、傳感器、通信、計算機軟硬件和人工智能等眾多先進技術，是目前世界各國高校進行創新思維訓練、創新技能訓練、工程實踐訓練理想的平臺，吸引了無數愛好者參與其中。

目前市面上已經有大量的 Arduino學習套件和教程，這些教程基本上都是先簡單地介紹各種電機的控制、傳感器的應用和無線數據傳輸等，然後配上一些簡單的案例代碼，後再加上一兩個簡單的綜合應用。這種學習方式沒有與具體的應用背景相結合，學習久了會逐漸失去趣味性，隻能達到科普的效果，很難真正指導學習者成為一個能解決復雜問題的創客。雖然也有一些將Arduino和機器人結合的教程，但是同樣缺乏繫統全面的結合和螺旋式上升的引導。

隨著基於 Arduino的傳感器、機電控制模塊、通信模塊等在市場上的大量湧現，急需一本教程能夠繫統地將機器人的各個部分與 Arduino結合起來，並詳細介紹如何利用這些模塊來設計智能機器人產品。本書正是在這樣的背景下創作的。

本書以教娛機器人產品的設計和開發為主線，應用繫統工程的設計理念，將各個專業的技術和模塊與機器人繫統集成，循序漸進地講解專業知識和技術，並將作者從事機器人設計與制作十年的工程經驗帶入到本書中，終開發和制作出一個具有中等復雜程度的機器人產品。本書將機器人涉及的基本的光機電算一體化知識進行了重新整合，讓讀者能更全面地了解機器人的相關知識，引發讀者從多學科交叉的角度去思考與鑽研，終完成機器人的設計、制作和編程。後通過幾個中國教育機器人大賽的競賽項目，制作參賽機器人完成競賽項目，進一步提升和強化開發中等復雜程度軟件和產品的能力。

本書主要內容及面向的讀者

機器人的制作非常強調動手能力，本書以教娛機器人的制作應用和競賽機器人的制作競賽為目標，結合硬件模塊和軟件編程，循序漸進地講解每個模塊所需的專業知識和技術，然後將這些知識和技術應用到產品的制作和開發中。

作為中級教程，第1章簡單介紹了Arduino的基礎知識，以方便一些基礎比較薄弱的讀者跳過入門教程直接學習中級教程；接著第2章介紹循線音樂機器人的制作，重點講解如何將一首曲子轉換成電子音樂數據，以及如何制作播放器，並將播放器與循線程序結合，讓機器人達到邊循線邊播放音樂的效果，而且做到完美集成；第3章介紹超聲避障機器人的制作，重點是超聲波傳感器的距離測量和 Arduino脈衝時間測量函數的應用，並講解智能電子產品設計中要注意的容錯問題，然後完成一個超聲避障漫遊機器人的制作；第4章講解超聲跟隨機器人的設計和制作，重點引入P控制器的算法和編程，講解閉環控制的概念和編程實現方法，後制作出一個反應靈敏的跟隨機器人；第5章介紹紅外遙控機器人的制作，重點講解紅外遙控編碼和解碼，了解紅外編碼協議和解碼程序的編寫方法，後制作出一個紅外遙控機器人；第6章將第2 ～ 5 章的功能集成，制作出一個人的制作競賽為目標，結合硬件模塊和軟件編程，循序漸進地講解每個模塊所需由紅外遙控器控制的同時具備四種工作模式的教娛機器人產品，重點講解如何利用 Arduino的中斷功能將各個功能模塊完美集成到一起，同時結合產品開發過程，按照構思、設計、實現和操作四個步驟來講解具體產品的開發流程；第7章結合紅外測距傳感器的應用，講解模擬量和數字量的概念及模數轉換技術，並將其應用到紅外測距傳感器，制作紅外雲臺漫遊機器人；第8 ～ 10章結合中國教育機器人大賽項目，在原有教娛機器人的基礎上進行改造和拓展，制作擂臺機器人、智能搬運機器人和滅火機器人，重點介紹競賽規則、競賽策略的編程和完整競賽程序的設計與實現；附錄A整理了本書所需用到的各種器材名稱和規格，以及Arduino機器人的分解組裝圖；附錄B將本書所用到的Arduino函數庫進行分類整理；附錄 C介紹了中國教育機器人大賽的背景和情況。

由於機器人屬於跨學科的領域，必須掌握多個學科的知識。本書雖涉及多個學科，但都以淺顯易懂的語言講解，沒有涉及太深的內容。根據讀者情況的不同，本書的閱讀方式也不同。如果讀者完全沒有接觸過單片機和軟件開發，建議先學完本書配套的入門教程。如果讀者已經有了一定的Arduino開發經驗或者學過 Arduino機器人制作和編程入門教程，可以直接跳過第1章，從第2章開始學習。本書適合 12歲以上的中學生和任何想自主學習Arduino機器人制作的成年人，也可以作為機器人學院門機器人制作課或者工程實踐課。

致謝

首先要感謝本書的策劃秦志強博士，感謝他親自設計了本書的內容並編寫了所有核心章節。

其次要感謝全童科教的產品事業部提供了本書所需的所有案例和代碼。

後要感謝中科樂的高級課程講師團隊和學員朋友們，感謝他們肯花費時間和精力閱讀本書並提供學習體驗。

由於時間有限，書中難免存在疏漏與錯誤之處，敬請廣大讀者批評指正。

希望有更多志同道合的人能加入到機器人的制作、編程和競賽中來！

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