內容簡介
本書除瞭介紹軟硬件知識與所需基本電路原理外,還涵蓋大多數機器人自動小車的控製範例,如使用紅外綫循跡模塊、RFID模塊、超音波模塊、紅外綫遙控器、十字搖杆模塊等,並通過紅外綫、RF、XBee、藍牙、Wi-Fi等無綫通信控製機器人自動小車,另附有組裝參考解說,是非常全麵的實戰經典。
本書是為對自動機器人感興趣,卻苦於沒有足夠知識、經驗與技術開發設計的讀者編寫的。
內頁插圖
目錄
第1章 Arduino快速入門
1-1 認識Arduino
1-2 Arduino硬件介紹
1-2-1 Duemilanove闆
1-2-2 UNO闆
1-2-3 Leonardo闆
1-2-4 DUE闆
1-2-5 Mini闆
1-2-6 Micro闆
1-2-7 Nano闆
1-2-8 Mega 2560闆
1-2-9 LilyPad闆
1-2-10 Fio闆
1-3 Arduino軟件介紹
1-3-1 下載Arduino開發環境
1-3-2 安裝Arduino闆驅動程序
1-3-3 Arduino開發環境使用說明
1-3-4 執行第一個Arduino範例程序
1-4 Arduino語言基礎
1-4-1 變量與常數
1-4-2 運算符
1-4-3 Arduino程序流程控製
1-4-4 數組
1-4-5 預處理命令
1-4-6 函數
1-4-7 Arduino常用函數
第2章 基本電路原理
2-1 電的基本概念
2-1-1 電荷
2-1-2 電壓
2-1-3 電流
2-1-4 電阻
2-1-5 電能
2-1-6 功率
2-2 數字係統
2-2-1 十進製錶示法
2-2-2 二進製錶示法
2-2-3 十六進製錶示法
2-2-4 常用進位轉換
2-3 認識基本手動工具
2-3-1 麵包闆
2-3-2 電烙鐵
2-3-3 剝綫鉗
2-3-4 尖嘴鉗
2-3-5 斜口鉗
2-4 認識萬用錶
2-4-1 電壓的測量
2-4-2 電流的測量
2-4-3 電阻的測量
2-5 認識基本電子元件
第3章 自動機器人實習
3-1 認識機器人
3-2 認識自動機器人
3-3 認識自動機器人的部件
3-3-1 Arduino控製闆
3-3-2 馬達驅動模塊
3-3-3 馬達部件
3-3-4 萬嚮輪
3-3-5 電源電路
3-3-6 杜邦綫
3-3-7 Arduino周邊擴展闆
3-4 製作自動機器人
3-4-1 車體製作
3-4-2 行走原理
3-4-3 直綫行走測試實習
3-4-4 轉彎測試實習
第4章 紅外綫循跡自動機器人實習
4-1 認識紅外綫
4-2 認識紅外綫循跡模塊
4-2-1 CNY70紅外綫模塊
4-2-2 TCRT5000紅外綫模塊
4-2-3 紅外綫循跡模塊
4-2-4 紅外綫模塊的數量
4-2-5 紅外綫模塊排列的間距
4-3 認識紅外綫循跡自動機器人
4-4 製作紅外綫循跡自動機器人
第5章 紅外綫遙控自動機器人實習
5-1 認識無綫通信
5-2 認識紅外綫發射模塊
5-2-1 編碼電路
5-2-2 載波電路與調製電路
5-3 認識紅外綫接收模塊
5-3-1 紅外綫接收模塊
5-3-2 IRremote-h函數庫
5-4 認識紅外綫遙控自動機器人
5-5 製作紅外綫遙控自動機器人
第6章 手機藍牙遙控自動機器人實習
6-1 認識藍牙
6-2 認識藍牙模塊
6-2-1 藍牙工作模式
6-2-2 藍牙參數的設置
6-2-3 SoftwareSerial-h函數庫
6-2-4 使用Arduino IDE設置藍牙參數
6-3 認識手機藍牙模塊
6-4 認識手機藍牙遙控自動機器人
6-5 製作手機藍牙遙控自動機器人
6-5-1 手機藍牙遙控App程序
6-5-2 修改手機藍牙遙控App程序的界麵設置
6-5-3 藍牙遙控自動機器人的電路
第7章 RF遙控自動機器人實習
7-1 認識
7-2 認識RF模塊
7-3 認識RF遙控自動機器人
7-4 製作RF遙控自動機器人
7-4-1 RF發射電路
7-4-2 RF遙控自動機器人電路
第8章 XBee遙控自動機器人實習
8-1 認識Zi
8-2 認識XBee模塊
8-2-1 XBee擴展闆
8-2-2 XBee配置的設置
8-3 認識XBee遙控自動機器人
8-4 製作XBee遙控自動機器人
8-4-1 XBee發射電路
8-4-2 XBee遙控自動機器人電路
第9章 加速度計遙控自動機器人實習
9-1 認識加速度計
9-2 認識加速度計模塊
9-2-1 加速度計的g值靈敏度
9-2-2 傾斜角度與X、Y、Z三軸輸齣電壓的關係
9-2-3 最大傾斜角度與X、Y、Z三軸輸齣電壓的關係
9-3 認識加速度計遙控自動機器人
9-4 製作加速度計遙控自動機器人
9-4-1 加速度計遙控電路
9-4-2 XBee遙控自動機器人電路
9-5 認識手機加速度計
9-5-1 手機傾斜角度與X、Y、Z三軸輸齣值的關係
9-5-2 手機最大傾斜角度與X、Y、Z三軸輸齣值的關係
9-6 認識手機加速度計遙控自動機器人
9-7 製作手機加速度計遙控自動機器人
9-7-1 手機加速度計遙控App程序
9-7-2 藍牙遙控自動機器人電路
第10章 超聲波避障自動機器人實習
10-1 認識超聲波
10-2 認識超聲波模塊
10-2-1 工作原理
10-2-2 物體定位
10-3 認識超聲波避障自動機器人
10-3-1 工作原理
10-3-2 行走策略
10-4 製作超聲波避障自動機器人
第11章 RFID導航自動機器人實習
11-1 認識聲音
11-2 認識RFID
11-2-1 RFID讀取器
11-2-2 RFID標簽
11-3 認識RFID模塊
11-3-1 125kHz低頻RFID模塊
11-3-2 13-56MHz高頻RFID模塊
11-4 認識RFID導航自動機器人
11-5 讀取RFID標簽序號
11-6 製作RFID導航自動機器人
第12章 Wi-Fi遙控自動機器人實習
12-1 認識計算機網絡
12-1-1 局域網(LAN)
12-1-2 廣域網(WAN)
12-1-3 無綫局域網(WLAN)
12-2 認識以太網模塊
12-3 製作以太網傢電控製電路
12-4 認識Wi-Fi模塊
12-4-1 官方Wi-Fi擴展闆
12-4-2 兼容Wi-Fi擴展闆
12-4-3 下載WiShield函數庫
12-5 認識Wi-Fi遙控自動機器人
12-6 製作Wi-Fi遙控自動機器人
12-7 認識ESP8266 Wi-Fi模塊
12-7-1 ESP8266 Wi-Fi功能AT命令
12-7-2 設置ESP8266模塊參數
12-8 認識ESP8266 Wi-Fi遙控自動機器人
12-9 製作ESP8266 Wi-Fi遙控自動機器人
12-9-1 手機Wi-Fi遙控App程序
12-9-2 ESP8266 Wi-Fi遙控自動機器人電路
附錄A 實習材料錶
A-1 如何購買本書材料
A-2 全書實習材料錶
A-3 各章實習材料錶
A-3-1
第3章實習材料錶
A-3-2
第4章實習材料錶
A-3-3
第5章實習材料錶
A-3-4
第6章實習材料錶
A-3-5
第7章實習材料錶
A-3-6
第8章實習材料錶
A-3-7
第9章實習材料錶
A-3-8
第10章實習材料錶
A-3-9
第11章實習材料錶
A-3-10
第12章實習材料錶
附錄B 刻錄ATmega開機引導程序
B-1 認識引導程序(Bootloader)
B-2 認識Arduino UNO闆引腳
B-3 使用ArduinoISP燒錄ATmega引導程序
附錄C Arduino自動機器人組裝說明
C-1 自動機器人車體的組裝
C-2 Arduino控製闆和原型擴展闆的組裝
C-3 超聲波模塊和伺服馬達的組裝
C-4 紅外綫循跡模塊的組裝
前言/序言
在英、美、日、德等工業發達的國傢中,工業型機器人(Robot)早已成為自動化生産的主角。除瞭工業型機器人外,服務型機器人也開始應用於國防、救災、醫療、運輸、農用、建築等領域。機器人是集機械、電子、電機、控製、計算機、傳感、人工智能等多種先進科學技術的産品。隨著機器人工業的興起,對於程序設計、嵌入係統、材料零部件、機電集成等研發人纔的需求也與日俱增。
機器人的運動方式大緻上可以分為輪型機器人和足型機器人兩種。輪型機器人具有快速移動的優點,而足型機器人具有機動性、可步行於危險環境、跨越障礙物以及可上下颱階等優點。本書主要介紹輪型自動機器人(後麵簡稱為自動機器人)的製作技術。幾十年前要製作一颱自動機器人,不但技術復雜而且價格昂貴,隨著開放源碼(open-source)Arduino的齣現,在軟件方麵已內建瞭多樣化的函數,以此簡化瞭周邊部件的底層控製程序,硬件方麵也有多樣化的周邊模塊可供選擇。另外,網絡上也提供瞭相當豐富的共享資源,讓沒有電子、信息相關專業背景的人也可以快速又簡單地製作一颱Arduino自動機器人。本書為誰而寫
《Arduino自動小車最佳入門與應用》是為一些對自動機器人感興趣,卻又苦於沒有足夠知識、經驗與技術能力去開發設計的讀者而編寫的。通過本書淺顯易懂的圖文解說,讀者隻要按圖施工,就能保證成功。本書如何編排
本書內容已經涵蓋瞭大多數自動機器人的控製範例,如使用紅外綫循跡模塊、RFID模塊、超聲波模塊、紅外綫遙控器、十字遊戲杆模塊等,並且通過紅外綫、RF、XBee、藍牙、Wi-Fi等無綫通信來建立連接,以便控製自動機器人。本書中每一章所需的軟、硬件知識和相關技術都有詳細的圖文解說,讀者可根據自己的喜好自行安排閱讀順序並輕鬆組裝完成具有個人特色的Arduino自動機器人。
第1章Arduino快速入門:快速引領讀者認識Arduino硬件和軟件的相關知識,並介紹Arduino開發環境的建立和使用。另外,提供瞭Arduino語言的語句、語法以及常用內部函數的說明,以方便讀者隨時查閱。如果要進一步瞭解詳情,可到官方網站ardruno.cc上閱讀。
第2章基本電路原理:本章主要是針對從未學過電子、信息等相關知識的初學者而編寫的。內容包含電的基本概念、數字係統等電學理論基礎,並且介紹基本手動工具和萬用電錶的使用方法。如果讀者已經熟悉,可以直接跳過本章。
第3章自動機器人實習:認識與使用自動機器人所需的Arduino闆、馬達驅動模塊、馬達部件、電源電路、周邊擴展闆等模塊,以及如何製作一颱自動機器人,如何利用Arduino闆來控製自動機器人執行前進、後退、右轉、左轉、停止等行走動作。本章是後麵各章的基礎,讀者有必要詳細閱讀。
第4章紅外綫循跡自動機器人實習:認識與使用紅外綫循跡模塊CNY70和TCRT5000,並且利用紅外綫循跡模塊TCRT5000來控製自動機器人自動行走在黑色或白色軌道上。
第5章紅外綫遙控自動機器人實習:認識與使用紅外綫遙控器和38kHz、940nm紅外綫接收模塊,並且利用紅外綫遙控器控製“紅外綫遙控自動機器人”的前進、後退、右轉、左轉以及停止等行走動作。
第6章手機藍牙遙控自動機器人實習:認識與使用Android手機藍牙模塊和HC-05藍牙模塊,並且利用手機藍牙來控製“藍牙遙控自動機器人”的前進、後退、右轉、左轉及停止等行走動作。
第7章RF遙控自動機器人實習:認識與使用RF模塊,並且使用VirtualWire函數庫進行RF無綫通信。通過十字遊戲杆的按壓方嚮,遠程控製“RF遙控自動機器人”執行前進、後退、右轉、左轉及停止等行走動作。
第8章XBee遙控自動機器人實習:認識與使用XBee模塊,並且使用XBee模塊進行無綫通信。通過十字遊戲杆的按壓方嚮,遠程控製“XBee遙控自動機器人”執行前進、後退、右轉、左轉及停止等行走動作。
第9章加速度計遙控自動機器人實習:本章可分為兩部分,第一部分通過MMA7260加速度計模塊的重力變化,使用XBee模塊進行無綫通信,遠程控製“XBee遙控自動機器人”執行前進、後退、右轉、左轉及停止等行走動作;第二部分通過手機加速度計的手勢控製,使用藍牙模塊進行無綫通信,遠程控製“藍牙遙控自動機器人”執行前進、後退、右轉、左轉及停止等行走動作。
探索無限可能:開啓你的機器人創客之旅 你是否曾對那些能在地麵上自由穿梭、執行指令的機器人感到好奇?你是否夢想著親手打造一個屬於自己的智能夥伴,讓它聽從你的指揮,完成各種有趣的挑戰?那麼,歡迎來到一個充滿創造與探索的奇妙世界!這本書,將為你打開通往機器人技術大門的一把金鑰匙,帶你踏上一段激動人心的創客之旅。 本書並非一本枯燥的技術手冊,而更像是一位經驗豐富的領路人,它將用最直觀、最易懂的方式,引導你從零開始,逐步掌握機器人核心技術。我們聚焦於當下最受歡迎、最易於上手的機器人形態——輪型機器人。這種結構緊湊、靈活機動的機器人,是學習機器人原理與實踐的絕佳起點。 第一部分:基礎築基,穩紮穩打 在踏入復雜的機器人世界之前,紮實的基礎知識是必不可少的。我們首先會帶你認識“大腦”——微控製器。本書將深入淺齣地介紹微控製器的基本原理,包括它的工作方式、內部結構(如CPU、內存、I/O端口等)以及如何通過編程來控製它。你將瞭解到,微控製器是如何接收指令、處理信息,並最終驅動外部設備的。 接著,我們將聚焦於電子元器件的基礎知識。機器人並非孤立的實體,它需要各種電子元件協同工作。你會學習到電阻、電容、二極管、三極管等基本元器件的功能與應用。理解這些“積木塊”的作用,是構建更復雜電路的基礎。我們還會詳細講解常用傳感器的工作原理,例如,如何利用紅外傳感器檢測障礙物,如何通過光綫傳感器感知環境亮度,或者如何使用超聲波傳感器測量距離。瞭解這些“眼睛”和“耳朵”,是讓你的機器人具備感知世界能力的秘訣。 在理論學習的同時,動手實踐同樣重要。本書將提供詳細的電路連接指導,即使你是電子“小白”,也能輕鬆理解各種元器件和模塊之間的連接方式。我們不會止步於理論,而是會提供一步步的實驗指導,讓你親手搭建簡單的電路,觀察電流的流動,感受元器件的協同作用。例如,你會搭建一個簡單的LED閃爍電路,感受微控製器的控製能力;或者嘗試連接一個簡單的電機驅動電路,體會如何讓機械部件動起來。 第二部分:核心驅動,讓小車動起來 小車之所以能移動,離不開其“雙腿”——電機。我們將深入探討直流電機的工作原理,以及如何通過電機驅動模塊來控製電機的轉嚮、速度和啓停。你將瞭解到,為什麼直接用微控製器無法驅動電機,以及電機驅動模塊是如何充當“橋梁”的角色,將微控製器的微弱信號放大,從而驅動電機高效運轉。 本書將詳細講解H橋電路的原理,這是實現電機正反轉控製的關鍵。你將理解H橋是如何通過切換內部的晶體管來實現電流方嚮的改變,進而控製電機鏇轉方嚮。此外,我們還將介紹脈衝寬度調製(PWM)技術,這是控製電機速度的關鍵。你將學會如何通過改變PWM信號的占空比,來平滑地調節電機的轉速,實現前進、後退以及不同速度的行駛。 你將親手組裝小車底盤,熟悉各個部件的安裝位置。從安裝電機、輪子,到固定微控製器和電機驅動模塊,每一個步驟都將細緻講解。你還將學習到電池的選擇與供電方案,理解如何為你的機器人提供穩定可靠的能源。 第三部分:感知世界,賦予小車智慧 一個真正智能的機器人,需要能夠感知周圍的環境並做齣相應的反應。這部分內容將帶你深入瞭解機器人的“感官”係統。 我們將從最基礎的障礙物檢測開始。你將學習如何利用紅外傳感器或超聲波傳感器,讓小車能夠“看見”前方的障礙物,並學會如何編寫程序,讓小車在檢測到障礙物時能夠自動停止、轉嚮或繞開。 接著,我們將探索循跡技術。你將學習如何利用地麵傳感器(如紅外對管),讓小車能夠沿著預設的黑綫或白綫行駛。這涉及到底麵傳感器的工作原理,以及如何根據傳感器反饋的信號,精確地控製電機,使小車始終保持在賽道中央。本書將提供多種循跡算法的實現思路,從簡單的開關控製到更精密的PID控製,讓你能夠根據實際需求選擇最閤適的方案。 你還將接觸到遙控技術。我們將介紹無綫通信模塊(如藍牙或射頻模塊)的工作原理,並教你如何通過手機App或獨立的遙控器來控製小車的運動。這讓你能夠擺脫綫的束縛,實現遠程操控的樂趣。 第四部分:應用拓展,挑戰進階 掌握瞭基礎知識和核心技術後,我們鼓勵你將所學應用到更廣闊的領域。本部分將提供一係列經典的機器人應用案例,激發你的創造力。 你會學習如何製作一個避障小車,讓它能夠在復雜的環境中自由穿梭,避免碰撞。你還將嘗試製作一個循跡小車,讓它在預設的賽道上疾馳,挑戰速度與精準度。 更進一步,你還可以學習如何製作一個自動跟隨小車,讓它能夠跟隨你的步伐,成為你的“影子”。或者,搭建一個光控小車,讓它能夠追逐光源,或者躲避強光。 本書還將提供傳感器融閤的思路,教你如何結閤多種傳感器的數據,讓機器人做齣更智能、更準確的判斷。例如,結閤超聲波傳感器和陀螺儀,可以實現更穩定的導航。 第五部分:問題排查與優化 在動手實踐的過程中,遇到問題是不可避免的。本書特彆設置瞭常見問題排查與解決章節。你將學習到如何識彆電路連接錯誤、程序邏輯bug,以及如何針對性地進行調試。我們將提供一套係統性的排查方法,幫助你快速定位問題,並提供多種優化方案,讓你的機器人運行得更流暢、更高效。例如,如何優化電機驅動的平穩性,如何提高循跡的精準度,或者如何延長電池續航時間。 不僅僅是學習,更是創造 本書的目標是讓你不僅僅是學會如何製作一個機器人,更是要激發你獨立思考、解決問題和創新創造的能力。我們鼓勵你在掌握基本原理的基礎上,大膽嘗試,加入自己的創意,設計齣獨一無二的機器人。 這本書將是你的最佳夥伴,它將陪伴你從最初的睏惑到最終的成就感。每一次成功的點亮LED,每一次小車的平穩啓動,每一次傳感器數據的正確讀取,都將是你學習路上的裏程碑。 無論你是學生,還是對科技充滿熱情的愛好者,亦或是希望將創意轉化為現實的創客,這本書都能為你提供堅實的支撐和無限的靈感。準備好迎接挑戰瞭嗎?讓我們一起,用雙手點亮智慧,用創意驅動未來,打造屬於你自己的智能輪型機器人!