机器人控制器编程课程-教案03-进阶

先简要复习一下上次课的内容，主要介绍了一些理论上的知识，希望有一个宏观上的概念。

比如点-线-面-体，>感知<~~>控制<的维度需要匹配等。更多详细内容可以查看：

机器人感知-视觉部分：https://blog.csdn.net/ZhangRelay/article/details/81352622

并思考：二维空间导航与三维空间抓取操作的异同之处？

同时可以回顾，信息传输的时间与频率的关系，各种维度的信息需要的数据带宽。

书中40页先讲述了数字IO，然后在54页讲解了模拟IO。这些都是arduino本身具备的功能。

串口的使用（67页），类似于点对点的网络，使得其可以与其他单片机或各种支持串口通信的设备交互信息。

时间控制函数也需要理解后再掌握其用法。

arduino是一款典型的开源IoT设备，课程本身只针对讲解C语言编程和ROS接口。

但是arduino玩法是非常多了（APP与API），下面简单列一下，有兴趣的小伙伴可以自己动手尝试起来：

全仿真：7 best Arduino simulators for PC to use today

课程重点讲解Proteus 8 + Arduino：

Matlab：完美支持，自主学习探索

Python：Arduino-Python3-Command-API

JavaScript：http://johnny-five.io/

总之，目前主流的编程语言，都可以实现对Arduino直接或者间接代码调试！！！（ROS部分稍后详细介绍）

代码也不想写，可不可以呢？Scratch+Arduino，需要先安装插件。

这里需要注意，下图中间的arduino指示灯：

配置正确后，可以进行框图程序设计。

云端编程，免费的云端ROS学习体验环境可以参考如下链接：

https://www.shiyanlou.com/courses/854

arduino自然也提供了类似功能，不需要在本地安装arduino IDE：

C语言编程官方案例

1.基础知识Basics

Analog Read Serial：读取电位计，将其状态输出到Arduino串行口监视器。
Bare Minimum：启动Arduino所需的最少代码。
Blink：打开和关闭LED。
Digital Read Serial：读取开关量，将状态发布到Arduino串行监视器。
Fade（呼吸灯）：演示使用模拟输出实现渐变亮度的LED。
Read Analog Voltage：读取模拟输入并将电压发布到串口监视器。

2.数字量Digital

Blink Without Delay：不使用延迟 delay() 功能使LED闪烁。
Button：使用按钮控制LED。
Debounce：读取一个按钮状态，过滤噪音。
Digital Input Pullup：使用pinMode（）演示INPUT_PULLUP的使用。
State Change Detection：计算按钮按下的次数。
Tone Keyboard：使用力传感器和压电扬声器的三键音乐键盘。
Tone Melody：用压电扬声器演奏旋律。
Tone Multiple：使用tone（）命令依次在多个扬声器上播放音调。
Tone Pitch Follower：根据模拟输入在压电扬声器上演奏音高。

3.模拟量Analog

Analog In Out Serial：读取模拟输入引脚，输出结果，然后使用该数据调暗或增亮LED。
Analog Input：使用电位计控制LED的闪烁。
Analog Write Mega：使用Arduino Mega板逐个打开和关闭12个LED。
Calibration：定义预期模拟传感器值的最大值和最小值。
Fading：使用模拟输出（PWM引脚）缓慢变化亮度的LED。
Smoothing：平滑模拟输入的多个读数。

4.通信Communication

这些示例包括允许Arduino与计算机上运行的Processing进行通信的代码。有关更多信息或下载Processing，请参阅processing.org。还有Max / MSP补丁也可以与每个Arduino进行通信。有关Max / MSP的更多信息，请参阅Cycling 74。

ASCIITable：演示Arduino的高级串行输出功能。
Dimmer：移动鼠标以改变LED的亮度。
Graph：将数据发送到计算机并在Processing中绘制图表。
Midi：连续发送MIDI音符信息。
Multi Serial Mega：使用Arduino Mega上提供的两个串行端口。
Physical Pixel：通过Processing或Max / MSP向Arduino发送数据来打开和关闭LED。
Read ASCII String：解析以逗号分隔的整数字符串以调节LED亮度。
Serial Call Response：使用呼叫和响应（握手）方法发送多个变量。
Serial Call Response ASCII：使用呼叫和响应（握手）方法发送多个变量，并在发送之前对值进行ASCII编码。
Serial Event：演示SerialEvent（）的使用。
Serial Passthrough：演示如何虚拟连接Serial和Serial1。
Virtual Color Mixer：将多个变量从Arduino发送到您的计算机，并在Processing或Max / MSP中读取它们。

5.控制结构Control Structures

Arrays：For循环示例的变体，演示如何使用数组。
For Loop Iteration：使用for循环和控制多个LED。
If Statement Conditional：使用'if语句'根据更改输入条件更改输出条件。
Switch Case：如何在离散数量的值之间进行选择。
Switch Case 2：第二个switch-case示例，显示如何根据串行端口中收到的字符执行不同的操作。
While Statement Conditional：如何在读取按钮时使用while循环校准传感器。

6.传感器Sensors

ADXL3xx：读取ADXL3xx加速度计。
Knock：用压电元件检测敲击。
Memsic2125：双轴加速度计。
Ping：使用超声波测距仪检测物体。

7.显示Display

Bar Graph：制作LED条形图。
RowColumnScanning：控制8x8 LED矩阵。

8.字符串Strings

Character Analysis：使用运算符识别我们正在处理的字符类型。
String Addition Operator：以各种方式将字符串添加到一起。
String Append Operator：使用+ =运算符和concat（）方法将字符串附加到字符串。
String Case Changes：更改字符串的大小写。
String Characters：获取/设置字符串中特定字符的值。
String Comparison Operators：按字母顺序比较字符串。
String Constructors：初始化字符串对象。
String Index Of：查找字符串中字符的第一个/最后一个实例。
String Length & String Length Trim：获取并修剪字符串的长度。
String Replace：替换字符串中的单个字符。
String Start With Ends With：检查给定字符串的开头或结尾字符/子字符串。
String Substring：查找给定字符串中的“短语”。
String To Int：允许您将String转换为整数。

9. USB （此部分课程中不讲解C语言版本，UNO不支持！但是通过ROS可以UNO功能极大扩展）

键盘和鼠标示例是Leonardo，Micro和Due独有的。演示了如何使用板上独有的库。

键盘KEYBOARD

Keyboard Logout：使用键盘命令注销当前用户。
Keyboard Message：按下按钮时发送文本字符串。
Keyboard Reprogram：在Arduino IDE中打开一个新窗口，并使用简单的闪烁程序重新编程Leonardo。
Keyboard Serial：从串行端口读取一个字节，然后发回键击。
Keyboard Mouse Control：在一个程序中演示鼠标和键盘命令。

鼠标MOUSE

Button Mouse Control：使用5个按钮控制光标移动。
Joystick Mouse Contol：按下按钮时，使用操纵杆控制计算机的光标移动。

10. Starterkit和BasicKit

套件中包含的Project Book中提供了StarterKit示例的教程，如果您购买了BasicKit，将能够在Project Ignite上在线访问项目。

11. Arduino ISP

Arduino ISP将Arduino转变为在线编程器，重新编程AtMega芯片。如果需要在Arduino上重新加载引导加载程序，如果从面板上的Arduino转到AtMega ，或者如果在面包板上制作自己的Arduino兼容电路，则非常有用。

ROS接口官方案例

Arduino IDE设置

本教程逐步介绍如何设置Arduino IDE以使用rosserial。
Hello World（发布器示例）
本教程逐步介绍如何使用rosserial创建发布器。
闪烁LED Blink（接收器示例）
本教程逐步介绍如何将rosserial与接收器一起使用。
记录rosserial
本教程逐步介绍了如何使用rosserial的日志记录。
使用时间和坐标变换TF
本教程介绍如何使用ros :: Time和TF在Arduino上创建tf发布者。
温度感应器
使用TMP102测量温度
按钮
监视按钮并在ROS中发布其状态
用rosserial_arduino来制作CMake
本教程介绍如何将CMake构建系统与rosserial_arduino一起使用。
伺服控制器示例
使用rosserial和Arduino控制R / C伺服的教程
IR Ranger教程
使用带有rosserial和Arduino的IR Ranger
SRF08超声波传感器
在本教程中，我们将使用Arduino和SRF08超声波传感器作为测距仪.SRF08通过SPI / I2C与Arduino通信。
BlinkM教程
使用Arduino和rosserial通过ROS控制BlinkM
Arduino示波器
在本教程中，我们将使用Arduino的ADC（模数转换器）和rqt_plot制作一个简易的示波器。
NodeHandle和ArduinoHardware的高级配置。
本教程逐步介绍如何配置NodeHandle和ArduinoHareware以更好地满足用户需求。

rosserial overview:

NodeHandles and Initialization
Messages
Publishers and Subscribers
Time
Logging
Limitations
Protocol
Parameters

配置具体内容参考初识，链接如下：

https://blog.csdn.net/ZhangRelay/article/details/100385715

了解Arduino和ROS之后，如何将两者联系起来呢？

这里以最新版本的ROS 1 Melodic做介绍。安装对应功能包：

sudo apt install ros-melodic-rosserial-arduino

全部支持的串口通讯方式有：

ros-melodic-rosserial                ros-melodic-rosserial-server
ros-melodic-rosserial-arduino        ros-melodic-rosserial-server-dbgsym
ros-melodic-rosserial-client         ros-melodic-rosserial-tivac
ros-melodic-rosserial-embeddedlinux ros-melodic-rosserial-vex-cortex
ros-melodic-rosserial-mbed           ros-melodic-rosserial-vex-v5
ros-melodic-rosserial-msgs           ros-melodic-rosserial-windows
ros-melodic-rosserial-python         ros-melodic-rosserial-xbee

安装完成后，进行环境配置：

打开Arduino IDE（本文版本为1.8.9），直接进入库管理（library Manager），在搜索框输入ros查找：

确保Rosserial Arduino Library 0.7.9安装完成。

这时候，就可以在文件File，示例Examples，自定义示例Costom中找到丰富的示例：

打开一个示例看一看吧，Blink（ROS版本）：

/* * rosserial Subscriber Example* Blinks an LED on callback*/#include <ros.h>
#include <std_msgs/Empty.h>ros::NodeHandle  nh;void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg){digitalWrite(13, HIGH-digitalRead(13));   // blink the led
}ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", &messageCb );void setup()
{ pinMode(13, OUTPUT);nh.initNode();nh.subscribe(sub);
}void loop()
{  nh.spinOnce();delay(1);
}

注意串口权限问题，sudo chmod 777 /dev/ttyACM0。/dev/ttyACM0为对应串口号。

程序上传至开发版后，依次运行如下命令：

1. roscore

2. rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0

使用如下命令开关LED灯：

rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty --once
闪烁：

rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty -r 2

发布和订阅示例：

/** rosserial PubSub Example* Prints "hello world!" and toggles led*/#include <ros.h>
#include <std_msgs/String.h>
#include <std_msgs/Empty.h>ros::NodeHandle  nh;void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg){digitalWrite(13, HIGH-digitalRead(13));   // blink the led
}ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", messageCb );std_msgs::String str_msg;
ros::Publisher chatter("chatter", &str_msg);char hello[13] = "hello world!";void setup()
{pinMode(13, OUTPUT);nh.initNode();nh.advertise(chatter);nh.subscribe(sub);
}void loop()
{str_msg.data = hello;chatter.publish( &str_msg );nh.spinOnce();delay(500);
}

Some features can be enabled depending of #define statements added before including ros.h in the sketch.

Platform	Feature	#define
Arduino based on 32u4 (Leonardo, Micro)	USB Serial (not pin 0 & 1)	USE_USBCON
All Arduino variants	Use Ethernet shield for rosserial over TCP	ROSSERIAL_ARDUINO_TCP

扩展阅读：

课堂上演示了Leap Motion，并在休息时间开启demo供有兴趣的同学玩耍。

Leap Motion中文官网：https://www.leapmotion.com/zh-hans/

目前支持，Arduino的外部设备非常多！

Cylon.js的一大优点是，它使您可以轻松地将基于计算机的平台（如Leap Motion）与较小的微控制器（如Arduino）集成在一起。本示例说明了如何与Arduino开发板无线连接以打开或关闭LED。

有关此代码示例的注释版本，请单击此处。

"use strict";var Cylon = require("cylon");Cylon.robot({connections: {leap: { adaptor: "leapmotion" },arduino: { adaptor: "firmata", port: "/dev/ttyACM0" }},devices: {led: { driver: "led", pin: 13, connection: "arduino" }},work: function(my) {my.leapmotion.on("frame", function(frame) {if (frame.hands.length > 0) {my.led.turnOn();} else {my.led.turnOff();}});}
}).start();

阅读：通过Arduino + Leap Motion手势控制的机器人手

当然，大部分同学并没有机械手，怎么办？仿真一样ok。

参考：人机智能交互技术示例-Leap Motion通过ROS控制机械手Gazebo仿真

（https://blog.csdn.net/zhangrelay/article/details/77995133）

Arduino + 3D打印机

这个来自Andrew Maxwell-Parish的处理代码可通过手部运动控制Makerbot 3D打印机。它通过从Leap Motion API收集手指的XYZ位置，将其转换为3D打印机所需的笛卡尔坐标，将其包装为G代码格式，然后通过基于Arduino的控制器将其发送到打印机来工作。

Arduino马达+时钟马达

在Arduino的电机是一个额外的工具包，很容易让你来控制电机的方向和速度与Arduino。（查看此出色的Instructables教程进行设置。）交互式设计专业的学生James Miller使用Motor Shield和Processing脚本创建了BLAST：Time，这是一个带有时钟的小雕塑，可以响应人们的手部动作。