建造一個由鋰電池供電的小型機(jī)器人

　　機(jī)器人已經(jīng)慢慢開始爬進(jìn)我們的社會，讓我們的生活變得更簡單。我們已經(jīng)可以在英國的道路上找到來自 Starship 的六輪送餐機(jī)器人，它們巧妙地在平民中導(dǎo)航到達(dá)目的地。每個導(dǎo)航到環(huán)境中的移動機(jī)器人都應(yīng)該始終了解其相對于現(xiàn)實(shí)世界的位置和方向。有很多方法可以通過使用不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，如 GPS、RF 三角測量、加速度計(jì)、陀螺儀等。每種技術(shù)都有其自身的優(yōu)勢，并且是獨(dú)一無二的。在這個Arduino LM393 速度傳感器教程中，我們將使用簡單易用的LM393 速度傳感器模塊使用 Arduino 測量一些重要參數(shù)，例如速度、行進(jìn)距離和機(jī)器人角度。通過這些參數(shù)，機(jī)器人將能夠了解其真實(shí)世界的狀態(tài)，并可以使用它進(jìn)行安全導(dǎo)航。

　　Arduino 是構(gòu)建機(jī)器人的愛好者中最受歡迎的選擇，從簡單的線跟隨器到更復(fù)雜的自平衡或地板清潔機(jī)器人。您可以在機(jī)器人部分查看所有類型的機(jī)器人。

　　我們將建造一個由鋰電池供電的小型機(jī)器人，并使用操縱桿驅(qū)動它。在運(yùn)行期間，我們可以測量機(jī)器人的速度、距離和角度，并將其實(shí)時顯示在連接到 Arduino 的 LCD 顯示器上。這個項(xiàng)目只是幫助你測量這些參數(shù)，一旦你完成了這個，你就可以根據(jù)需要使用這些參數(shù)來自主操作你的機(jī)器人。聽起來很有趣吧？所以讓我們開始吧。

　　LM393 速度傳感器模塊（H206）

　　在我們進(jìn)入項(xiàng)目的電路圖和代碼之前，讓我們了解LM393 速度傳感器模塊，因?yàn)樗陧?xiàng)目中起著至關(guān)重要的作用。H206 速度傳感器模塊由集成了 LM393 電壓比較器 IC 的紅外光傳感器組成，因此名稱為 LM393 速度傳感器。該模塊還包括一個網(wǎng)格板，該網(wǎng)格板必須安裝在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上。所有組件都標(biāo)記在下圖中。

　　紅外光傳感器由一個 IR LED 和一個由一個小間隙隔開的光電晶體管組成。整個傳感器裝置放置在黑色外殼中，如上圖所示。網(wǎng)格板由槽組成，板布置在紅外光傳感器的間隙之間，傳感器可以感應(yīng)到網(wǎng)格板中的間隙。柵板中的每個縫隙在通過縫隙時都會觸發(fā)IR傳感器；然后使用比較器將這些觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為電壓信號。比較器不過是 ON 半導(dǎo)體的 LM393 IC。該模塊共有三個引腳，其中兩個用于為模塊供電，一個輸出引腳用于計(jì)數(shù)觸發(fā)次數(shù)。

　　H206 傳感器安裝布置

　　安裝這些類型的傳感器有點(diǎn)棘手。它只能安裝在兩側(cè)都有軸突出的電機(jī)上。軸的一側(cè)連接到車輪，而另一側(cè)用于安裝網(wǎng)格板，如上圖所示。

　　由于輪子和盤子連接到同一根軸上，兩者都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，因此通過測量盤子的速度，我們可以測量輪子的速度。確保網(wǎng)格板中的間隙通過 IR 傳感器，只有這樣傳感器才能計(jì)算已通過的間隙數(shù)。只要滿足指定條件，您也可以提出自己的機(jī)械布置來安裝傳感器。紅外傳感器通常用于許多機(jī)器人項(xiàng)目中，以引導(dǎo)機(jī)器人繞過障礙物。

　　上面顯示的網(wǎng)格板有 20 個槽（網(wǎng)格）。這意味著傳感器會為車輪一整圈找到 20 個間隙。通過計(jì)算傳感器檢測到的間隙數(shù)量，我們可以計(jì)算車輪行進(jìn)的距離，類似地，通過測量傳感器找到間隙的速度，我們可以檢測到車輪的速度。在我們的機(jī)器人中，我們將這個傳感器安裝在兩個輪子上，因此我們也可以找到機(jī)器人的角度。然而，使用加速度計(jì)或陀螺儀可以更明智地計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，在此處學(xué)習(xí)將加速度計(jì)和陀螺儀與 Arduino連接，并嘗試使用它們來測量旋轉(zhuǎn)角度。

　　DIY Arduino LM393 速度傳感器機(jī)器人電路圖

　　該速度和距離感應(yīng)機(jī)器人的完整電路圖如下所示。Bot 由Arduino Nano作為其大腦組成，兩個用于車輪的直流電機(jī)由 L298N H 橋電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動。操縱桿用于控制機(jī)器人的速度和方向，兩個速度傳感器 H206 用于測量機(jī)器人的速度、距離和角度。然后測量值顯示在16x2 LCD 模塊中。連接到 LCD 的電位器可用于調(diào)節(jié) LCD 的對比度，電阻器用于限制流向 LCD 背光的電流。

　　整個電路由一個 7.4V 鋰電池供電。這個 7.4V 提供給電機(jī)驅(qū)動模塊的 12V 引腳。然后，電機(jī)驅(qū)動模塊上的穩(wěn)壓器將 7.4V 轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 +5V，用于為 Arduino、LCD、傳感器和操縱桿供電。

　　電機(jī)由 Arduino 的數(shù)字引腳 8、9、10 和 11 控制。由于還必須控制電機(jī)的速度，我們應(yīng)該向電機(jī)的正極端子提供PWM 信號。因此，我們有引腳 9 和 10，它們都是支持 PWM 的引腳。操縱桿的 X 和 Y 值分別使用模擬引腳 A2 和 A3 讀取。

　　正如我們所知，H206 傳感器在檢測到網(wǎng)格板中的間隙時會生成觸發(fā)器。由于不應(yīng)始終準(zhǔn)確讀取這些觸發(fā)器以計(jì)算正確的速度和距離，因此兩個觸發(fā)器（輸出）引腳都連接到 Arduino 板的外部中斷引腳 2 和 3。將整個電路組裝在底盤上并按照說明安裝速度傳感器，連接完成后，我的機(jī)器人如下所示。您還可以觀看本頁末尾的視頻，了解傳感器的安裝方式。

　　現(xiàn)在硬件部分已經(jīng)完成，讓我們進(jìn)入如何測量機(jī)器人的速度、距離和單程的邏輯，然后進(jìn)入編程部分。

　　使用 LM393 速度傳感器模塊測量速度背后的邏輯

　　從傳感器安裝設(shè)置中，您應(yīng)該知道 LM393 速度傳感器模塊（H206）僅測量網(wǎng)格板中存在的間隙。安裝時應(yīng)確保車輪（應(yīng)測量其速度）和網(wǎng)格板以相同的速度旋轉(zhuǎn)。就像這里一樣，由于我們將輪子和盤子都安裝在同一軸上，因此它們顯然將以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

　　在我們的設(shè)置中，我們?yōu)槊總€車輪安裝了兩個傳感器來測量機(jī)器人的角度。但是，如果您的目標(biāo)只是測量速度和距離，我們可以將傳感器安裝在任何一個車輪上。傳感器的輸出（觸發(fā)信號）最常連接到微控制器的外部中斷引腳。每次檢測到網(wǎng)格板中的間隙時，都會觸發(fā)中斷，并執(zhí)行 ISR（中斷服務(wù)程序）中的代碼。如果我們能夠計(jì)算出兩個這樣的觸發(fā)器之間的時間間隔，我們就可以計(jì)算出車輪的速度。

　　在 Arduino 中，我們可以使用millis（）函數(shù)輕松計(jì)算此時間間隔。從設(shè)備上電開始，該毫秒函數(shù)將每毫秒遞增 1。因此，當(dāng)?shù)谝粋€中斷發(fā)生時，我們可以將 millis（）的值保存在一個虛擬變量中（如代碼中的pevtime），然后當(dāng)?shù)诙€中斷發(fā)生時，我們可以通過從millis（）中減去pevtime值來計(jì)算所花費(fèi)的時間。

　　所用時間 = 當(dāng)前時間 - 上一個時間所

　　用時間= millis （）- pevtime ; //以毫秒為單位的時間

　　一旦我們計(jì)算出所花費(fèi)的時間，我們可以使用以下公式簡單地計(jì)算 rpm 的值，其中（1000/timetaken）給出 RPS（每秒轉(zhuǎn)數(shù)），然后乘以 60 將 RPS 轉(zhuǎn)換為 RPM（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）。

　　rpm=（1000/timetaken）*60；

　　在計(jì)算 rpm 后，我們可以使用以下公式計(jì)算車輛的速度，前提是我們知道車輪的半徑。

　　速度 = 2π × RPS × 車輪半徑。

　　v = radius_of_wheel * rpm * 0.104

　　注意，上面的公式是以 m/s 為單位計(jì)算速度的，如果你想以 km/hr 為單位計(jì)算，請將 0.0104 替換為 0.376。如果您想知道值 0.104 是如何獲得的，請嘗試簡化公式 V = 2π × RPS × 車輪半徑。

　　即使使用霍爾傳感器來測量旋轉(zhuǎn)物體的速度，也使用相同的技術(shù)。但是對于 H206 傳感器有一個問題，網(wǎng)格板有 20 個插槽，因此測量兩個插槽間隙之間的時間會使微控制器過載。因此，我們僅在車輪完全旋轉(zhuǎn)時測量速度。由于每個間隙都會產(chǎn)生兩個中斷（一個在間隙開始，另一個在間隙結(jié)束），我們將總共獲得 40 個中斷，以便輪子完成一個完整的旋轉(zhuǎn)。因此，我們在實(shí)際計(jì)算車輪速度之前等待 40 次中斷。相同的代碼如下所示

　　if（rotation》=40）

　　{

　　timetaken = millis（）-pevtime; //以毫秒為單位的時間

　　rpm=（1000/timetaken）*60; //計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式

　　pevtime = millis（）;

　　旋轉(zhuǎn)=0；

　　}

　　這種方法的另一個缺點(diǎn)是，速度值不會下降到零，因?yàn)橹袛鄬⑹冀K等待車輪完成一個旋轉(zhuǎn)來計(jì)算 rpm 值。這個缺點(diǎn)可以通過添加一個簡單的代碼來監(jiān)控兩個中斷之間的時間間隔來輕松克服，如果它超過正常值，那么我們可以強(qiáng)制 rpm 和速度的值為零。鏈接在下面的代碼中，我們使用變量dtime來檢查時間差異，如果超過 500 毫秒，則速度和 rpm 的值被強(qiáng)制為零。

　　/*如果車輛停止則降為零*/

　　if（millis（）-dtime》500） //500ms 內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn) inetrrupt

　　{

　　rpm= v = 0; // 使 rpm 和速度為零

　　dtime=millis（）;

　　}

　　測量車輪行駛距離背后的邏輯

　　我們已經(jīng)知道，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)一圈時，Arduino 會感應(yīng)到 40 次中斷。因此，對于輪子每轉(zhuǎn)一圈，輪子行進(jìn)的距離顯然等于輪子的周長。由于我們已經(jīng)知道車輪的半徑，我們可以使用以下公式輕松計(jì)算所覆蓋的距離

　　距離 = 2πr * 轉(zhuǎn)數(shù)

　　距離 = （2*3.141*radius_of_wheel） * （left_intr/40）

　　使用公式 2πr 計(jì)算車輪的周長，然后乘以車輪的轉(zhuǎn)數(shù)。

　　測量機(jī)器人角度背后的邏輯

　　確定機(jī)器人角度的方法有很多種。加速度計(jì)和陀螺儀通常用于確定這些值。但另一種便宜的方法是在兩個車輪上都使用 H206 傳感器。這樣我們就可以知道每個輪子轉(zhuǎn)了多少圈。下圖說明了如何計(jì)算角度。

　　當(dāng)機(jī)器人初始化時，它所面對的角度被認(rèn)為是 0°。從那里它向左旋轉(zhuǎn)，角度增加為負(fù)，如果它向右旋轉(zhuǎn)，角度增加為正。為了便于理解，讓我們考慮如圖所示的 -90 到 +90 的范圍。在這樣的布置中，由于兩個輪子具有相同的直徑，如果任何一個輪子完全旋轉(zhuǎn)，我們就會以 90° 的角度轉(zhuǎn)動機(jī)器人。

　　例如，如果左輪完成一整圈（80 次中斷），那么機(jī)器人將向左轉(zhuǎn) 90°，類似地，如果右輪完成一整圈（80 次中斷），那么機(jī)器人將向右轉(zhuǎn) -90°。現(xiàn)在我們知道，如果 Arduino 在一個輪子上檢測到 80 個中斷，那么機(jī)器人已經(jīng)轉(zhuǎn)動了 90°，我們可以根據(jù)哪個輪子判斷機(jī)器人是正轉(zhuǎn)（右）還是負(fù)（左）轉(zhuǎn)。所以左右角可以用下面的公式計(jì)算

　　int angle_left = （left_intr % 360） * （90/80） ;

　　int angle_right = （right_intr % 360） * （90/80） ;

　　其中 90 是進(jìn)行 80 度中斷時所覆蓋的角度。結(jié)果值是中斷次數(shù)的乘積。我們還使用了 360 的模數(shù)，因此結(jié)果值永遠(yuǎn)不會超過 36。一旦我們計(jì)算了左角和右角，機(jī)器人面對的有效角度可以簡單地通過從右角中減去左角來獲得。

　　角度 = 角度右 - 角度左；

Arduino機(jī)器人代碼
此速度和角度測量機(jī)器人的完整 Arduino 代碼可在本頁末尾找到。該程序的目的是使用上述邏輯計(jì)算機(jī)器人的速度、距離和角度，并將其顯示在 LCD 屏幕上。除此之外，它應(yīng)該提供一個使用操縱桿控制機(jī)器人的選項(xiàng)。

我們通過定義兩個電機(jī)的數(shù)字 I/O 引腳來啟動程序。請注意，我們還必須控制電機(jī)的速度，因此我們必須使用 Arduino 上的 PWM 引腳來控制電機(jī)。在這里，我們使用了引腳 8、9、10 和 11。

#define LM_pos 9 // 左電機(jī)
#define LM_neg 8 // 左電機(jī)
#define RM_pos 10 // 右電機(jī)
#define RM_neg 11 // 右電機(jī)
#define joyX A2
#define joyY A3
要測量所覆蓋的速度和距離，我們需要知道車輪的半徑，測量值并以米為單位輸入，如下所示。對于我的機(jī)器人，半徑為 0.033 米，但根據(jù)你的機(jī)器人，它可能會有所不同。

浮動radius_of_wheel = 0.033；//測量你的輪子的半徑并在這里輸入厘米
在setup函數(shù)中，我們將所有值初始化為零，然后在 LCD 上顯示 Intro Text。我們還初始化了串行監(jiān)視器以進(jìn)行調(diào)試。然后我們提到速度傳感器 H206 連接到引腳 2 和 3 作為外部中斷。這就是檢測到中斷的地方，ISR 函數(shù)Left_ISR和Right_ISR將相應(yīng)地執(zhí)行。

void setup()
{
旋轉(zhuǎn) = rpm = pevtime = 0; //將所有變量初始化為零
Serial.begin(9600);
lcd.begin(16, 2); //初始化 16*2 LCD
lcd.print("Bot Monitor"); //介紹消息行 1
lcd.setCurs or(0, 1);
lcd.print("-CircuitDigest"); //介紹消息第 2 行
延遲（2000）；
lcd.clear();
lcd.print("Lt: Rt:");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("S:D:A:");

pinMode（LM_pos，輸出）；
pinMode（LM_neg，輸出）；

pinMode（RM_pos，輸出）；
pinMode（RM_neg，輸出）；

數(shù)字寫入（LM_neg，低）；
數(shù)字寫入（RM_neg，低）；

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), Left_ISR, CHANGE); //左輪傳感器觸發(fā)時
調(diào)用Left_ISR attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(3), Right_ISR, CHANGE);//右輪傳感器觸發(fā)時調(diào)用Right_ISR
}
在 Left_ISR 例程中，我們簡單地增加一個名為 left_intr 的變量，稍后將用于測量機(jī)器人的角度。在 Right_ISR 中，我們做同樣的事情，但另外我們也在此處計(jì)算速度。每次中斷都會增加變量旋轉(zhuǎn)，然后使用上述邏輯來計(jì)算速度。

void Left_ISR()
{
left_intr++;delay(10);
}

無效 Right_ISR()
{
right_intr++; 延遲（10）；

旋轉(zhuǎn)++；
dtime=毫秒（）；
if(rotation>=40)
{
timetaken = millis()-pevtime; //以毫秒為單位的時間
rpm=(1000/timetaken)*60; //計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式
pevtime = millis();
旋轉(zhuǎn)=0；
}
}
在主無限循環(huán)函數(shù)中，我們通過操縱桿監(jiān)控 X 和 Y 的值。如果操縱桿移動，我們會根據(jù)該值控制機(jī)器人。機(jī)器人的速度取決于操縱桿被推多遠(yuǎn)。

int xValue = 模擬讀?。╦oyX ）；
int yValue = 模擬讀?。╦oyY ）；

int 加速度 = 地圖 (xValue, 500, 0, 0, 200);

如果（xValue<500）
{
模擬寫入（LM_pos，加速度）；
模擬寫入（RM_pos，加速度）；
}

否則
{
類比寫入（LM_pos，0）；
模擬寫入（RM_pos，0）；
}

如果（yValue>550）
模擬寫入（RM_pos，80）；

如果（yValue<500）
analogWrite（LM_pos，100）；
這將幫助用戶移動機(jī)器人并檢查獲得的值是否符合預(yù)期。最后，我們可以使用上述邏輯計(jì)算機(jī)器人的速度、距離和角度，并使用以下代碼將其顯示在 LCD 上。

v = radius_of_wheel * rpm * 0.104；//0.033 是以米為單位的車輪半徑
= (2*3.141*radius_of_wheel) * (left_intr/40);
int angle_left = (left_intr % 360) * (90/80) ;
int angle_right = (right_intr % 360) * (90/80) ;
角度 = 角度右 - 角度左；

lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(""); lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(left_intr);
lcd.setCursor(11, 0); lcd.print(""); lcd.setCursor(11, 0);lcd.print(right_intr);
lcd.setCursor(2, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(2, 1);lcd.print(v);
lcd.setCursor(9, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(9, 1);lcd.print(距離);
lcd.setCursor(13, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(13, 1);lcd.print(角度);

　　測試 Arduino 機(jī)器人以測量距離、速度和角度

　　準(zhǔn)備好硬件后，將代碼上傳到 Arduino 并使用操縱桿移動機(jī)器人。機(jī)器人的速度、距離和角度將顯示在 LCD 中，如下所示。

　　在 LCD 上，術(shù)語 Lt 和 Rt 分別代表左中斷計(jì)數(shù)和右中斷計(jì)數(shù)。您會發(fā)現(xiàn)這些值隨著傳感器檢測到的每個間隙而增加。項(xiàng)S 表示機(jī)器人的速度，以米/秒為單位，項(xiàng) D 表示以米為單位的距離。機(jī)器人的角度顯示在末端，其中 0° 表示直線，逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，順時針旋轉(zhuǎn)為正。

/*

* Arduino 車速、距離和角度計(jì)算器

*/

/*-------定義引腳------*/

#define LM_pos 9 // 左電機(jī)

#define LM_neg 8 // 左電機(jī)

#define RM_pos 10 // 右電機(jī)

#define RM_neg 11 // 右電機(jī)

#define joyX A2

#define joyY A3

#include

const int rs = 14, en = 15, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; //注明LCD連接的管腳號

LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

int left_intr = 0;

int right_intr = 0;

int 角度 = 0;

/*硬件細(xì)節(jié)*/

float radius_of_wheel = 0.033; //測量你的輪子的半徑并在這里輸入厘米

易失字節(jié)輪換；// 中斷樂趣的變量必須是 volatile

float timetaken,rpm,dtime;

浮動 v;

整數(shù)距離；

無符號長 pevtime；

void setup()

{

旋轉(zhuǎn) = rpm = pevtime = 0; //將所有變量初始化為零

Serial.begin(9600);

lcd.begin(16, 2); //初始化16*2 LCD

lcd.print("Vechile Monitor"); //介紹消息行 1

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("-CircuitDigest"); //介紹消息第 2 行

延遲（2000）；

lcd.clear();

lcd.print("Lt: Rt:");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("S:D:A:");

pinMode（LM_pos，輸出）；

pinMode（LM_neg，輸出）；

pinMode（RM_pos，輸出）；

pinMode（RM_neg，輸出）；

數(shù)字寫入（LM_neg，低）；

數(shù)字寫入（RM_neg，低）；

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), Left_ISR, CHANGE); //左輪傳感器觸發(fā)時

調(diào)用Left_ISR attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(3), Right_ISR, CHANGE);//右輪傳感器觸發(fā)時調(diào)用Right_ISR

}

無效循環(huán)（）

{

int xValue = 模擬讀取（joyX）；

int yValue = 模擬讀?。╦oyY）；

int 加速度 = 地圖 (xValue, 500, 0, 0, 200);

如果（xValue<500）

{

模擬寫入（LM_pos，加速度）；

模擬寫入（RM_pos，加速度）；

}

其他

{

類比寫入（LM_pos，0）；

模擬寫入（RM_pos，0）；

}

如果（yValue>550）

模擬寫入（RM_pos，80）；

如果（yValue<500）

analogWrite（LM_pos，100）；

/*如果車輛停止則降為零*/

if(millis()-dtime>500) //500ms 內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn) inetrrupt

{

rpm= v = 0; // 使 rpm 和速度為零

dtime=millis();

}

v = radius_of_wheel * rpm * 0.104；//0.033 是以米為單位的車輪半徑

= (2*3.141*radius_of_wheel) * (left_intr/40);

int angle_left = (left_intr % 360) * (90/80) ;

int angle_right = (right_intr % 360) * (90/80) ;

角度 = 角度右 - 角度左；

lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(""); lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(left_intr);

lcd.setCursor(11, 0); lcd.print(""); lcd.setCursor(11, 0);lcd.print(right_intr);

lcd.setCursor(2, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(2, 1);lcd.print(v);

lcd.setCursor(9, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(9, 1);lcd.print(距離);

lcd.setCursor(13, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(13, 1);lcd.print(角度);

延遲（100）；

}

void Left_ISR()

{

left_intr++;delay(10);

}

無效 Right_ISR()

{

right_intr++; 延遲（10）；

旋轉(zhuǎn)++；

dtime=毫秒（）；

if(rotation>=40)

{

timetaken = millis()-pevtime; //以毫秒為單位的時間

rpm=(1000/timetaken)*60; //計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式

pevtime = millis();

旋轉(zhuǎn)=0；

}

}
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