内容简介
本书除了介绍软硬件知识与所需基本电路原理外,还涵盖大多数机器人自动小车的控制范例,如使用红外线循迹模块、RFID模块、超音波模块、红外线遥控器、十字摇杆模块等,并通过红外线、RF、XBee、蓝牙、Wi-Fi等无线通信控制机器人自动小车,另附有组装参考解说,是非常全面的实战经典。
本书是为对自动机器人感兴趣,却苦于没有足够知识、经验与技术开发设计的读者编写的。
内页插图
目录
第1章 Arduino快速入门
1-1 认识Arduino
1-2 Arduino硬件介绍
1-2-1 Duemilanove板
1-2-2 UNO板
1-2-3 Leonardo板
1-2-4 DUE板
1-2-5 Mini板
1-2-6 Micro板
1-2-7 Nano板
1-2-8 Mega 2560板
1-2-9 LilyPad板
1-2-10 Fio板
1-3 Arduino软件介绍
1-3-1 下载Arduino开发环境
1-3-2 安装Arduino板驱动程序
1-3-3 Arduino开发环境使用说明
1-3-4 执行第一个Arduino范例程序
1-4 Arduino语言基础
1-4-1 变量与常数
1-4-2 运算符
1-4-3 Arduino程序流程控制
1-4-4 数组
1-4-5 预处理命令
1-4-6 函数
1-4-7 Arduino常用函数
第2章 基本电路原理
2-1 电的基本概念
2-1-1 电荷
2-1-2 电压
2-1-3 电流
2-1-4 电阻
2-1-5 电能
2-1-6 功率
2-2 数字系统
2-2-1 十进制表示法
2-2-2 二进制表示法
2-2-3 十六进制表示法
2-2-4 常用进位转换
2-3 认识基本手动工具
2-3-1 面包板
2-3-2 电烙铁
2-3-3 剥线钳
2-3-4 尖嘴钳
2-3-5 斜口钳
2-4 认识万用表
2-4-1 电压的测量
2-4-2 电流的测量
2-4-3 电阻的测量
2-5 认识基本电子元件
第3章 自动机器人实习
3-1 认识机器人
3-2 认识自动机器人
3-3 认识自动机器人的部件
3-3-1 Arduino控制板
3-3-2 马达驱动模块
3-3-3 马达部件
3-3-4 万向轮
3-3-5 电源电路
3-3-6 杜邦线
3-3-7 Arduino周边扩展板
3-4 制作自动机器人
3-4-1 车体制作
3-4-2 行走原理
3-4-3 直线行走测试实习
3-4-4 转弯测试实习
第4章 红外线循迹自动机器人实习
4-1 认识红外线
4-2 认识红外线循迹模块
4-2-1 CNY70红外线模块
4-2-2 TCRT5000红外线模块
4-2-3 红外线循迹模块
4-2-4 红外线模块的数量
4-2-5 红外线模块排列的间距
4-3 认识红外线循迹自动机器人
4-4 制作红外线循迹自动机器人
第5章 红外线遥控自动机器人实习
5-1 认识无线通信
5-2 认识红外线发射模块
5-2-1 编码电路
5-2-2 载波电路与调制电路
5-3 认识红外线接收模块
5-3-1 红外线接收模块
5-3-2 IRremote-h函数库
5-4 认识红外线遥控自动机器人
5-5 制作红外线遥控自动机器人
第6章 手机蓝牙遥控自动机器人实习
6-1 认识蓝牙
6-2 认识蓝牙模块
6-2-1 蓝牙工作模式
6-2-2 蓝牙参数的设置
6-2-3 SoftwareSerial-h函数库
6-2-4 使用Arduino IDE设置蓝牙参数
6-3 认识手机蓝牙模块
6-4 认识手机蓝牙遥控自动机器人
6-5 制作手机蓝牙遥控自动机器人
6-5-1 手机蓝牙遥控App程序
6-5-2 修改手机蓝牙遥控App程序的界面设置
6-5-3 蓝牙遥控自动机器人的电路
第7章 RF遥控自动机器人实习
7-1 认识
7-2 认识RF模块
7-3 认识RF遥控自动机器人
7-4 制作RF遥控自动机器人
7-4-1 RF发射电路
7-4-2 RF遥控自动机器人电路
第8章 XBee遥控自动机器人实习
8-1 认识Zi
8-2 认识XBee模块
8-2-1 XBee扩展板
8-2-2 XBee配置的设置
8-3 认识XBee遥控自动机器人
8-4 制作XBee遥控自动机器人
8-4-1 XBee发射电路
8-4-2 XBee遥控自动机器人电路
第9章 加速度计遥控自动机器人实习
9-1 认识加速度计
9-2 认识加速度计模块
9-2-1 加速度计的g值灵敏度
9-2-2 倾斜角度与X、Y、Z三轴输出电压的关系
9-2-3 最大倾斜角度与X、Y、Z三轴输出电压的关系
9-3 认识加速度计遥控自动机器人
9-4 制作加速度计遥控自动机器人
9-4-1 加速度计遥控电路
9-4-2 XBee遥控自动机器人电路
9-5 认识手机加速度计
9-5-1 手机倾斜角度与X、Y、Z三轴输出值的关系
9-5-2 手机最大倾斜角度与X、Y、Z三轴输出值的关系
9-6 认识手机加速度计遥控自动机器人
9-7 制作手机加速度计遥控自动机器人
9-7-1 手机加速度计遥控App程序
9-7-2 蓝牙遥控自动机器人电路
第10章 超声波避障自动机器人实习
10-1 认识超声波
10-2 认识超声波模块
10-2-1 工作原理
10-2-2 物体定位
10-3 认识超声波避障自动机器人
10-3-1 工作原理
10-3-2 行走策略
10-4 制作超声波避障自动机器人
第11章 RFID导航自动机器人实习
11-1 认识声音
11-2 认识RFID
11-2-1 RFID读取器
11-2-2 RFID标签
11-3 认识RFID模块
11-3-1 125kHz低频RFID模块
11-3-2 13-56MHz高频RFID模块
11-4 认识RFID导航自动机器人
11-5 读取RFID标签序号
11-6 制作RFID导航自动机器人
第12章 Wi-Fi遥控自动机器人实习
12-1 认识计算机网络
12-1-1 局域网(LAN)
12-1-2 广域网(WAN)
12-1-3 无线局域网(WLAN)
12-2 认识以太网模块
12-3 制作以太网家电控制电路
12-4 认识Wi-Fi模块
12-4-1 官方Wi-Fi扩展板
12-4-2 兼容Wi-Fi扩展板
12-4-3 下载WiShield函数库
12-5 认识Wi-Fi遥控自动机器人
12-6 制作Wi-Fi遥控自动机器人
12-7 认识ESP8266 Wi-Fi模块
12-7-1 ESP8266 Wi-Fi功能AT命令
12-7-2 设置ESP8266模块参数
12-8 认识ESP8266 Wi-Fi遥控自动机器人
12-9 制作ESP8266 Wi-Fi遥控自动机器人
12-9-1 手机Wi-Fi遥控App程序
12-9-2 ESP8266 Wi-Fi遥控自动机器人电路
附录A 实习材料表
A-1 如何购买本书材料
A-2 全书实习材料表
A-3 各章实习材料表
A-3-1
第3章实习材料表
A-3-2
第4章实习材料表
A-3-3
第5章实习材料表
A-3-4
第6章实习材料表
A-3-5
第7章实习材料表
A-3-6
第8章实习材料表
A-3-7
第9章实习材料表
A-3-8
第10章实习材料表
A-3-9
第11章实习材料表
A-3-10
第12章实习材料表
附录B 刻录ATmega开机引导程序
B-1 认识引导程序(Bootloader)
B-2 认识Arduino UNO板引脚
B-3 使用ArduinoISP烧录ATmega引导程序
附录C Arduino自动机器人组装说明
C-1 自动机器人车体的组装
C-2 Arduino控制板和原型扩展板的组装
C-3 超声波模块和伺服马达的组装
C-4 红外线循迹模块的组装
前言/序言
在英、美、日、德等工业发达的国家中,工业型机器人(Robot)早已成为自动化生产的主角。除了工业型机器人外,服务型机器人也开始应用于国防、救灾、医疗、运输、农用、建筑等领域。机器人是集机械、电子、电机、控制、计算机、传感、人工智能等多种先进科学技术的产品。随着机器人工业的兴起,对于程序设计、嵌入系统、材料零部件、机电集成等研发人才的需求也与日俱增。
机器人的运动方式大致上可以分为轮型机器人和足型机器人两种。轮型机器人具有快速移动的优点,而足型机器人具有机动性、可步行于危险环境、跨越障碍物以及可上下台阶等优点。本书主要介绍轮型自动机器人(后面简称为自动机器人)的制作技术。几十年前要制作一台自动机器人,不但技术复杂而且价格昂贵,随着开放源码(open-source)Arduino的出现,在软件方面已内建了多样化的函数,以此简化了周边部件的底层控制程序,硬件方面也有多样化的周边模块可供选择。另外,网络上也提供了相当丰富的共享资源,让没有电子、信息相关专业背景的人也可以快速又简单地制作一台Arduino自动机器人。本书为谁而写
《Arduino自动小车最佳入门与应用》是为一些对自动机器人感兴趣,却又苦于没有足够知识、经验与技术能力去开发设计的读者而编写的。通过本书浅显易懂的图文解说,读者只要按图施工,就能保证成功。本书如何编排
本书内容已经涵盖了大多数自动机器人的控制范例,如使用红外线循迹模块、RFID模块、超声波模块、红外线遥控器、十字游戏杆模块等,并且通过红外线、RF、XBee、蓝牙、Wi-Fi等无线通信来建立连接,以便控制自动机器人。本书中每一章所需的软、硬件知识和相关技术都有详细的图文解说,读者可根据自己的喜好自行安排阅读顺序并轻松组装完成具有个人特色的Arduino自动机器人。
第1章Arduino快速入门:快速引领读者认识Arduino硬件和软件的相关知识,并介绍Arduino开发环境的建立和使用。另外,提供了Arduino语言的语句、语法以及常用内部函数的说明,以方便读者随时查阅。如果要进一步了解详情,可到官方网站ardruno.cc上阅读。
第2章基本电路原理:本章主要是针对从未学过电子、信息等相关知识的初学者而编写的。内容包含电的基本概念、数字系统等电学理论基础,并且介绍基本手动工具和万用电表的使用方法。如果读者已经熟悉,可以直接跳过本章。
第3章自动机器人实习:认识与使用自动机器人所需的Arduino板、马达驱动模块、马达部件、电源电路、周边扩展板等模块,以及如何制作一台自动机器人,如何利用Arduino板来控制自动机器人执行前进、后退、右转、左转、停止等行走动作。本章是后面各章的基础,读者有必要详细阅读。
第4章红外线循迹自动机器人实习:认识与使用红外线循迹模块CNY70和TCRT5000,并且利用红外线循迹模块TCRT5000来控制自动机器人自动行走在黑色或白色轨道上。
第5章红外线遥控自动机器人实习:认识与使用红外线遥控器和38kHz、940nm红外线接收模块,并且利用红外线遥控器控制“红外线遥控自动机器人”的前进、后退、右转、左转以及停止等行走动作。
第6章手机蓝牙遥控自动机器人实习:认识与使用Android手机蓝牙模块和HC-05蓝牙模块,并且利用手机蓝牙来控制“蓝牙遥控自动机器人”的前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。
第7章RF遥控自动机器人实习:认识与使用RF模块,并且使用VirtualWire函数库进行RF无线通信。通过十字游戏杆的按压方向,远程控制“RF遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。
第8章XBee遥控自动机器人实习:认识与使用XBee模块,并且使用XBee模块进行无线通信。通过十字游戏杆的按压方向,远程控制“XBee遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。
第9章加速度计遥控自动机器人实习:本章可分为两部分,第一部分通过MMA7260加速度计模块的重力变化,使用XBee模块进行无线通信,远程控制“XBee遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作;第二部分通过手机加速度计的手势控制,使用蓝牙模块进行无线通信,远程控制“蓝牙遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。
探索无限可能:开启你的机器人创客之旅 你是否曾对那些能在地面上自由穿梭、执行指令的机器人感到好奇?你是否梦想着亲手打造一个属于自己的智能伙伴,让它听从你的指挥,完成各种有趣的挑战?那么,欢迎来到一个充满创造与探索的奇妙世界!这本书,将为你打开通往机器人技术大门的一把金钥匙,带你踏上一段激动人心的创客之旅。 本书并非一本枯燥的技术手册,而更像是一位经验丰富的领路人,它将用最直观、最易懂的方式,引导你从零开始,逐步掌握机器人核心技术。我们聚焦于当下最受欢迎、最易于上手的机器人形态——轮型机器人。这种结构紧凑、灵活机动的机器人,是学习机器人原理与实践的绝佳起点。 第一部分:基础筑基,稳扎稳打 在踏入复杂的机器人世界之前,扎实的基础知识是必不可少的。我们首先会带你认识“大脑”——微控制器。本书将深入浅出地介绍微控制器的基本原理,包括它的工作方式、内部结构(如CPU、内存、I/O端口等)以及如何通过编程来控制它。你将了解到,微控制器是如何接收指令、处理信息,并最终驱动外部设备的。 接着,我们将聚焦于电子元器件的基础知识。机器人并非孤立的实体,它需要各种电子元件协同工作。你会学习到电阻、电容、二极管、三极管等基本元器件的功能与应用。理解这些“积木块”的作用,是构建更复杂电路的基础。我们还会详细讲解常用传感器的工作原理,例如,如何利用红外传感器检测障碍物,如何通过光线传感器感知环境亮度,或者如何使用超声波传感器测量距离。了解这些“眼睛”和“耳朵”,是让你的机器人具备感知世界能力的秘诀。 在理论学习的同时,动手实践同样重要。本书将提供详细的电路连接指导,即使你是电子“小白”,也能轻松理解各种元器件和模块之间的连接方式。我们不会止步于理论,而是会提供一步步的实验指导,让你亲手搭建简单的电路,观察电流的流动,感受元器件的协同作用。例如,你会搭建一个简单的LED闪烁电路,感受微控制器的控制能力;或者尝试连接一个简单的电机驱动电路,体会如何让机械部件动起来。 第二部分:核心驱动,让小车动起来 小车之所以能移动,离不开其“双腿”——电机。我们将深入探讨直流电机的工作原理,以及如何通过电机驱动模块来控制电机的转向、速度和启停。你将了解到,为什么直接用微控制器无法驱动电机,以及电机驱动模块是如何充当“桥梁”的角色,将微控制器的微弱信号放大,从而驱动电机高效运转。 本书将详细讲解H桥电路的原理,这是实现电机正反转控制的关键。你将理解H桥是如何通过切换内部的晶体管来实现电流方向的改变,进而控制电机旋转方向。此外,我们还将介绍脉冲宽度调制(PWM)技术,这是控制电机速度的关键。你将学会如何通过改变PWM信号的占空比,来平滑地调节电机的转速,实现前进、后退以及不同速度的行驶。 你将亲手组装小车底盘,熟悉各个部件的安装位置。从安装电机、轮子,到固定微控制器和电机驱动模块,每一个步骤都将细致讲解。你还将学习到电池的选择与供电方案,理解如何为你的机器人提供稳定可靠的能源。 第三部分:感知世界,赋予小车智慧 一个真正智能的机器人,需要能够感知周围的环境并做出相应的反应。这部分内容将带你深入了解机器人的“感官”系统。 我们将从最基础的障碍物检测开始。你将学习如何利用红外传感器或超声波传感器,让小车能够“看见”前方的障碍物,并学会如何编写程序,让小车在检测到障碍物时能够自动停止、转向或绕开。 接着,我们将探索循迹技术。你将学习如何利用地面传感器(如红外对管),让小车能够沿着预设的黑线或白线行驶。这涉及到底面传感器的工作原理,以及如何根据传感器反馈的信号,精确地控制电机,使小车始终保持在赛道中央。本书将提供多种循迹算法的实现思路,从简单的开关控制到更精密的PID控制,让你能够根据实际需求选择最合适的方案。 你还将接触到遥控技术。我们将介绍无线通信模块(如蓝牙或射频模块)的工作原理,并教你如何通过手机App或独立的遥控器来控制小车的运动。这让你能够摆脱线的束缚,实现远程操控的乐趣。 第四部分:应用拓展,挑战进阶 掌握了基础知识和核心技术后,我们鼓励你将所学应用到更广阔的领域。本部分将提供一系列经典的机器人应用案例,激发你的创造力。 你会学习如何制作一个避障小车,让它能够在复杂的环境中自由穿梭,避免碰撞。你还将尝试制作一个循迹小车,让它在预设的赛道上疾驰,挑战速度与精准度。 更进一步,你还可以学习如何制作一个自动跟随小车,让它能够跟随你的步伐,成为你的“影子”。或者,搭建一个光控小车,让它能够追逐光源,或者躲避强光。 本书还将提供传感器融合的思路,教你如何结合多种传感器的数据,让机器人做出更智能、更准确的判断。例如,结合超声波传感器和陀螺仪,可以实现更稳定的导航。 第五部分:问题排查与优化 在动手实践的过程中,遇到问题是不可避免的。本书特别设置了常见问题排查与解决章节。你将学习到如何识别电路连接错误、程序逻辑bug,以及如何针对性地进行调试。我们将提供一套系统性的排查方法,帮助你快速定位问题,并提供多种优化方案,让你的机器人运行得更流畅、更高效。例如,如何优化电机驱动的平稳性,如何提高循迹的精准度,或者如何延长电池续航时间。 不仅仅是学习,更是创造 本书的目标是让你不仅仅是学会如何制作一个机器人,更是要激发你独立思考、解决问题和创新创造的能力。我们鼓励你在掌握基本原理的基础上,大胆尝试,加入自己的创意,设计出独一无二的机器人。 这本书将是你的最佳伙伴,它将陪伴你从最初的困惑到最终的成就感。每一次成功的点亮LED,每一次小车的平稳启动,每一次传感器数据的正确读取,都将是你学习路上的里程碑。 无论你是学生,还是对科技充满热情的爱好者,亦或是希望将创意转化为现实的创客,这本书都能为你提供坚实的支撑和无限的灵感。准备好迎接挑战了吗?让我们一起,用双手点亮智慧,用创意驱动未来,打造属于你自己的智能轮型机器人!