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使用Arduino和Android設備控制Roomba機器人

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資料介紹

描述

第 1 步：物料清單

iRobot Create2

Arduino UNO

藍牙模塊HC-06

按鈕

第 2 步：Roomba Create2

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Roomba 是一款差速驅動機器人，帶有 2 個輪子和一個前腳輪。它的速度高達 500 毫米/秒，并且可以被命令向上或向后移動。

對于信號化，我們可以用四個 7 段顯示器和 5 個 LED 來計數(shù)（見圖）：

干凈的

碼頭

警告/檢查

污垢/碎片

作為內部傳感器，我們有：

懸崖探測器（前面4個）

碰撞檢測器（前面 2 個）

車輪編碼器

對于編程，應使用文檔：iRobot? Create? 2 ??Open Interface (OI) 。Roomba 可以設置為 3 種模式：

被動模式：

在發(fā)送啟動命令或任何一種清潔模式命令（例如，Spot、Clean、Seek Dock）時，OI 進入被動模式。當 OI 處于被動模式時，您可以使用任何傳感器命令請求和接收傳感器數(shù)據(jù)，但不能將執(zhí)行器（電機、揚聲器、燈、低邊驅動器、數(shù)字輸出）的當前命令參數(shù)更改為其他參數(shù).

安全模式：讓您可以完全控制 Roomba，但以下與安全相關的情況除外：

充電器插入并通電。

檢測車輪掉落（在任何車輪上）。

向前移動（或以小轉彎半徑向后移動，小于一個機器人半徑）時檢測懸崖。

如果在 OI 處于安全模式時出現(xiàn)上述安全相關情況之一，Roomba 會停止所有電機并恢復到被動模式。

完整模式：

當 OI 處于安全模式時，您可以完全控制 Roomba、其所有執(zhí)行器以及所有與安全相關的條件，因為完整模式會關閉懸崖、車輪掉落和內部充電器安全功能。

第 3 步：串行連接

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對于 Roomba 和 Arduino 之間的通信，將使用串行端口。默認情況下，Roomba 以 115,200 波特率進行通信，但為??了與 Arduino 通信，我們將其切換為 19,200。

設置 Roomba 波特率的方法有 2 種：

關閉 Roomba 電源時，在燈熄滅后繼續(xù)按住清潔/電源按鈕。大約 10 秒后，Roomba 會播放一段下降音高的曲子。Roomba 將以 19,200 波特率進行通信，直到處理器失去電池電量或通過 OI 明確更改波特率。

使用波特率更改引腳（Mini-DIN 連接器上的引腳 5）更改 Roomba 的波特率。打開 Roomba 后，等待 2 秒，然后將波特率更改脈沖低 3 次。每個脈沖應持續(xù) 50 到 500 毫秒。Roomba 將以 19200 波特率進行通信，直到處理器失去電池電量或通過 OI 明確更改波特率。

上圖顯示了 Arduino 應如何連接到 Roomba Mini-DIN 連接器

第 4 步：啟動 Roomba

對 Roomba 進行編程時必須做的第一件事是：

“喚醒”機器人

定義模式（安全或完整）

我們可以“喚醒”它，向 Mini-DIN 引腳 5（檢測設備輸入）發(fā)送一個低電平脈沖，如下面的函數(shù)所示：

void wakeUp (void)
{
  setWarningLED(ON);
  digitalWrite(ddPin, HIGH);
  delay(100);
  digitalWrite(ddPin, LOW);
  delay(500);
  digitalWrite(ddPin, HIGH);
  delay(2000);
}

要啟動 Roomba，必須發(fā)送 2 個代碼：“START”[128] 和模式，在我們的例子中為“SAFE MODE”[131]。如果您想要“完整模式”，則應發(fā)送代碼 [132]。

void startSafe()
{  
  Roomba.write(128);  //Start
  Roomba.write(131);  //Safe mode
  delay(1000);
}

第 5 步：打開 LED 和顯示屏

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打開 LED

如簡介所述，Roomba 有 5 個 LED：

電源/清潔（雙色紅/綠和強度控制）

點（綠色，固定強度）

碼頭（綠色，固定強度）

警告/檢查（橙色，固定強度）

污垢/碎片（藍色，固定強度）

可以使用代碼 [139] 命令所有 LED。要控制電源 LED，您必須向 Roomba 發(fā)送兩個數(shù)據(jù)字節(jié)：“顏色”和“強度”。

顏色：

綠色 = 0

橙色 = 128

紅色=255

強度：

低=0

最大=255

函數(shù)setPowerLED (byte setColor, byte setIntensity)做到了：

void setDigitLEDs(byte digit1, byte digit2, byte digit3, byte digit4)
{
    Roomba.write(163);
    Roomba.write(digit1);
    Roomba.write(digit2);
    Roomba.write(digit3);
    Roomba.write(digit4);
}

例如，要將橙色的 POWER LED 點亮一半強度，您可以調用如下函數(shù)：

setPowerLED (128, 128);

要打開剩余的 4 個 LED，必須使用以下功能：

setDebrisLED(ON);
setDockLED(ON); 
setSpotLED(ON); 
setWarningLED(ON);

上述所有函數(shù)的代碼都與此類似：

void setDebrisLED(bool enable)
{
  debrisLED = enable;
  Roomba.write(139);
  Roomba.write((debrisLED ? 1 : 0) + (spotLED ? 2 : 0) + (dockLED ? 4 : 0) + (warningLED ? 8 : 0));
  Roomba.write((byte)color);
  Roomba.write((byte)intensity);
}

基本上區(qū)別在于：

debrisLED = enable;

必須更改啟用其他每個 LED（spotLED、dockLED、warningLED ）。

發(fā)送消息顯示

Roomba 有四個 7 段顯示器，您可以使用它們以兩種不同的方式發(fā)送消息：

代碼 [163]：數(shù)字 LED 原始（數(shù)字）

代碼 [164]：數(shù)字 LED ASCII（字母和特殊代碼的近似值）

顯示數(shù)字非常容易。您必須在要顯示的 4 位數(shù)字之后發(fā)送代碼 [163]。函數(shù)：setDigitLEDs(byte digit1, byte digit2, byte digit3, byte digit4)為您執(zhí)行此操作：

void setDigitLEDs(byte digit1, byte digit2, byte digit3, byte digit4)
{
    Roomba.write(163);
    Roomba.write(digit1);
    Roomba.write(digit2);
    Roomba.write(digit3);
    Roomba.write(digit4);
}

例如，要顯示“1、2、3、4”，必須調用函數(shù)：

setDigitLEDs(1, 2, 3, 4);

使用代碼 [164]，可以發(fā)送 ASCII 的近似值。函數(shù)setDigitLEDFromASCII(byte digit, char letter)對我們這樣做：

void setDigitLEDFromASCII(byte digit, char letter)
{
  switch (digit){
  case 1:
    digit1 = letter;
    break;
  case 2:
    digit2 = letter;
    break;
  case 3:
    digit3 = letter;
    break;
  case 4:
    digit4 = letter;
    break;
  }
  Roomba.write(164);
  Roomba.write(digit1);
  Roomba.write(digit2);
  Roomba.write(digit3);
  Roomba.write(digit4);
}

為了簡化，我創(chuàng)建了一個新函數(shù)來同時發(fā)送 4 位數(shù)字：

void writeLEDs (char a, char b, char c, char d)
{
  setDigitLEDFromASCII(1, a);
  setDigitLEDFromASCII(2, b);
  setDigitLEDFromASCII(3, c);
  setDigitLEDFromASCII(4, d);
}

例如，要顯示“STOP”，您必須調用該函數(shù)：

writeLEDs ('s', 't', 'o', 'p');

第 6 步：移動 Roomba

對于移動性，Roomba 有 2 個獨立的直流電機，可通過編程以高達 500 毫米/秒的速度運行。有幾個命令可用于驅動機器人。主要有：

代碼 [137]：驅動器 ==> 必須發(fā)送 +/- 速度（以 mm/s 為單位）和 +/- 半徑（以 mm 為單位）

代碼 [145]：直接驅動 ==> 必須以 mm/s 為單位發(fā)送左/右速度（+ 表示前進，- 表示后退）

代碼 [146]：驅動 PWM ==> 必須為左右輪發(fā)送 +/- PWM 數(shù)據(jù)

以下是這 3 個選項的代碼：

void drive(int velocity, int radius)
{
  clamp(velocity, -500, 500); //def max and min velocity in mm/s
  clamp(radius, -2000, 2000); //def max and min radius in mm
  
  Roomba.write(137);
  Roomba.write(velocity >> 8);
  Roomba.write(velocity);
  Roomba.write(radius >> 8);
  Roomba.write(radius);
}
//---------------------------------------------------------------
void driveWheels(int right, int left)
{
  clamp(right, -500, 500);
  clamp(left, -500, 500);
  
  Roomba.write(145);
  Roomba.write(right >> 8);
  Roomba.write(right);
  Roomba.write(left >> 8);
  Roomba.write(left);
  }
//---------------------------------------------------------------
void driveWheelsPWM(int rightPWM, int leftPWM)
{
  clamp(rightPWM, -255, 255);
  clamp(leftPWM, -255, 255);
  
  Roomba.write(146);
  Roomba.write(rightPWM >> 8);
  Roomba.write(rightPWM);
  Roomba.write(leftPWM >> 8);
  Roomba.write(leftPWM);
}

請注意，“clamp”功能定義了允許輸入的最大值和最小值。該函數(shù)在文件rombaDefines.h 中定義：

#define clamp(value, min, max) (value < min ? min : value > max ? max : value)

使用上面的代碼，可以創(chuàng)建更簡單的函數(shù)來驅動 Roomba：

/---------------------------------------------------------------
void turnCW(unsigned short velocity, unsigned short degrees)
{
  drive(velocity, -1);
  clamp(velocity, 0, 500);
  delay(6600);
  drive(0,0);
}
//---------------------------------------------------------------
void turnCCW(unsigned short velocity, unsigned short degrees)
{
  drive(velocity, 1); 
  clamp(velocity, 0, 500);
  delay(6600);
  drive(0,0);
}
//---------------------------------------------------------------
void driveStop(void)
{
  drive(0,0);
}
//---------------------------------------------------------------
void driveLeft(int left)
{
  driveWheels(left, 0);
}
//---------------------------------------------------------------
void driveRight(int right)
{
  driveWheels(0, right);
}

請注意，要轉向角度，必須針對給定速度專門計算“延遲”參數(shù)。下面是一些可用于測試電機的示例：

turnCW (40, 180);  // spin clockwise 180 degrees and stop
driveWheels(20, -20); // spin 
driveLeft(20); // turning left

為了測試電機，最好添加一個外部按鈕（在我的情況下連接到 Arduino 引腳 12），因此您可以將代碼下載到 Arduino，啟動 Roomba，但在按下按鈕之前停止執(zhí)行。通常，對于電機測試，您可以在代碼的設置部分進行。

例如，請看下面的簡單 Arduino 代碼（注意代碼使用了之前開發(fā)的函數(shù)和定義）：

#include "roombaDefines.h"
#include 
// Roomba Create2 connection
int rxPin=10;
int txPin=11;
SoftwareSerial Roomba(rxPin,txPin);
//---------------------------------------------
void setup() 
{
  Roomba.begin(19200);
  
  pinMode(ddPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); // connected to Arduino pin 12 and used for "starting"
  delay(2000);
  
  wakeUp ();   // Wake-up Roomba
  startSafe(); // Start Roomba in Safe Mode
  while (digitalRead(buttonPin)) {  } // wait button to be pressed to continous run code
  
  turnCW (40, 180);  //test Roomba spin clock-wise 180 degrees and stop
}
//---------------------------------------------
void loop() 
{
  
}

第 7 步：通過藍牙控制 Roomba

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為了完成項目的第一部分，讓我們在我們的 Arduino 上安裝一個藍牙模塊 (HC-06)。上圖顯示了如何做到這一點。通常 HC-06 出廠設置波特率為 9,600。將其更改為 19,200 以兼容 Arduino-Roomba 通信速度非常重要。您可以向模塊發(fā)送 AT 命令（AT+BAUD5，其中“5”是 19,200 的代碼）。

如果您對 HC-06 的工作原理有任何疑問，請查看我的教程：通過藍牙 / Android / Arduino 連接“東西” 。

為了控制 Roomba，我們將使用我開發(fā)的通用應用程序來控制移動機器人，使用 MIT AppInventor 2：“MJRoBot BT 遠程控制”。該應用程序可以通過以下鏈接從 Google 商店免費下載：應用程序：MJRoBot BT 遠程控制。

該應用程序有一個簡單的界面，允許您以文本模式或直接通過預編程按鈕（每次按下按鈕，發(fā)送一個字符）向 BT 模塊發(fā)送命令：

w：前鋒

s：向后

d: 對

一：左

f：停止

p：開/關（第一部分未使用）

m：手動/自動（用于在安全模式下發(fā)現(xiàn)懸崖等障礙物時重新啟動 Roomba）

+：速度 +

-：速度 -

如有必要，您還可以將其他命令作為文本發(fā)送。還有一個文本窗口，用于顯示從 BT 模塊接收到的消息。此功能在測試階段非常重要，可以像“串行監(jiān)視器”一樣使用。

代碼的loop()部分將“監(jiān)聽”藍牙設備，并根據(jù)收到的命令采取行動：

void loop() 
{
   checkBTcmd();  // verify if a comand is received from BT remote control
   manualCmd ();
}

函數(shù)checkBTcmd()如下所示：

void checkBTcmd()  // verify if a command is received from BT remote control
 { 
    if (BT1.available()) 
    { 
      command = BT1.read();
      BT1.flush();
    }
 }

一旦收到命令，函數(shù)manualCmd()將采取適當?shù)男袆樱?/font>

void manualCmd()
{
  switch (command)
  {
    
    case 'm': 
      startSafe();
      Serial.print("Roomba in Safe mode");
      BT1.print("Roomba BT Ctrl OK - Safe mode");
      BT1.println('\n');
      command = 'f';
      playSound (3);
      break;
    case 'f': 
      driveStop(); //turn off both motors
      writeLEDs ('s', 't', 'o', 'p');
      state = command;
      break;
    case 'w':  
      drive (motorSpeed, 0); 
      writeLEDs (' ', 'g', 'o', ' ');
      state = command;  
      break;
    case 'd':     
      driveRight(motorSpeed);
      writeLEDs ('r', 'i', 'g', 'h');
      break;
   case 'a': 
      driveLeft(motorSpeed);
      writeLEDs ('l', 'e', 'f', 't');
      break;
    
    case 's':  
      drive (-motorSpeed, 0);
      writeLEDs ('b', 'a', 'c', 'k');
      state = command;
      break;
    case '+': 
      if (state == 'w')
      {
        motorSpeed = motorSpeed + 10;
        if (motorSpeed > MAX_SPEED) 
        { 
          motorSpeed = MAX_SPEED;
        }  
        command = 'w';
      } else {command = state;}
      break;
    case '-': 
      if (state == 'w')
      {
        motorSpeed = motorSpeed - 10;
      }     
      if (motorSpeed < MIN_SPEED ) 
      { 
        motorSpeed = MIN_SPEED;
      }
      Serial.println(motorSpeed); 
      command = state;
      break;
  }
}