使用樹莓派控制步進電機是常見的機器人專案應用。本文說明如何使用 Adafruit Stepper Motor HAT 和 RasPiRobot Board 兩種方式控制雙極步進電機，並提供 Python 程式碼範例與電路連線圖。此外，更進一步示範如何結合馬達控制與鍵盤輸入，打造簡易遙控車，並探討 RRB4 函式庫的應用，讓讀者快速上手樹莓派機器人開發。對於 I2C 匯流排的設定與潛在衝突也提供說明，避免讀者遭遇常見問題。
使用Stepper Motor HAT控制雙極步進電機
問題描述
您想要使用單一介面板控制多個雙極步進電機。
解決方案
使用Adafruit Stepper Motor HAT。這個板子可以控制兩個雙極步進電機。圖11-14顯示了板子與一個雙極步進電機的連線，電機的一個線圈連線到M1端子，另一個線圈連線到M2端子。電機的電源透過右側的螺絲端子單獨供應。
I2C匯流排
如果您按照Recipe 9.20的方法製作自己的HAT並啟用了I2C匯流排0，如描述所述，您需要在 /boot/config.txt 中刪除或註解掉以下行（在行首新增 # ）：
dtparam=i2c_vc=on
然後重新啟動您的Raspberry Pi。
討論
當您執行Adafruit教程中提供的程式時，電機開始轉動，程式迴圈執行四種不同的步進模式。
參考資料
關於HAT標準和如何製作自己的HAT的討論，請參閱Recipe 9.20。 關於使用這個HAT及其配套函式庫的更多資訊，請參閱raspberry-pi。 使用L293D控制步進電機，請參閱Recipe 11.7；使用RasPiRobot Board，請參閱Recipe 11.9。
使用RasPiRobot Board控制雙極步進電機
注意
請務必檢視此配方的附件影片。
問題描述
您想要使用玄貓控制雙極步進電機。
內容解密：
import RPi.GPIO as GPIO
import time
# 設定GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# 定義步進電機的引腳
M1 = 17
M2 = 23
# 設定引腳為輸出模式
GPIO.setup(M1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(M2, GPIO.OUT)
# 定義步進模式
def step(mode):
if mode == 0:
GPIO.output(M1, GPIO.HIGH)
GPIO.output(M2, GPIO.LOW)
elif mode == 1:
GPIO.output(M1, GPIO.LOW)
GPIO.output(M2, GPIO.HIGH)
elif mode == 2:
GPIO.output(M1, GPIO.HIGH)
GPIO.output(M2, GPIO.HIGH)
elif mode == 3:
GPIO.output(M1, GPIO.LOW)
GPIO.output(M2, GPIO.LOW)
# 執行步進模式
for i in range(4):
step(i)
time.sleep(1)
# 清除GPIO設定
GPIO.cleanup()
圖表翻譯：
flowchart TD
A[開始] --> B[設定GPIO模式]
B --> C[定義步進電機的引腳]
C --> D[設定引腳為輸出模式]
D --> E[定義步進模式]
E --> F[執行步進模式]
F --> G[清除GPIO設定]
G --> H[結束]
此圖表顯示了控制雙極步進電機的流程，從設定GPIO模式開始，到執行步進模式，最後清除GPIO設定。
解決方案：使用RasPiRobot板版本4
為了驅動12V的雙極步進電機，我們可以使用RasPiRobot板版本4。這個板子可以直接從螺絲端子取得電源，並將其調節為5V以驅動樹莓派。因此，在這種情況下，12V的電源將同時供應12V的步進電機和樹莓派。
警告 如果您使用的是RasPiRobot板的早期版本（版本1或2），請勿在同時透過USB連線供應樹莓派電源，因為您已經透過RasPiRobot板供應電源。然而，在版本3或4的板子中，這不是一個問題。
將步進電機和電源連線到RasPiRobot板，如圖11-15所示。Adafruit 12V步進電機的線色，從最下面的線開始，分別是：黃色和紅色（線圈1），灰色和綠色（線圈2）。
在執行程式之前，您需要使用以下命令安裝RasPiRobot板v4的函式庫：
$ cd rrb4/python
$ sudo python3 setup.py install
然後，開啟編輯器並貼入以下程式碼（ch_11_stepper_rrb.py）。這個程式使用命令列，因此您可以從SSH執行它：
from rrb4 import *
import time
rr = RRB4(12.0, 12.0) # 電池，電機
try:
while True:
delay = input("延遲時間（毫秒）？")
steps = input("向前移動多少步？")
rr.step_forward(int(delay) / 1000.0, int(steps))
steps = input("向後移動多少步？")
rr.step_reverse(int(delay) / 1000.0, int(steps))
finally:
GPIO.cleanup()
如同本文中的所有程式範例，您也可以下載這個程式碼（見配方3.22）。
討論 您會發現有一個最小的“延遲時間”值，如果低於這個值，電機將會顫抖而不是轉動。
參考 … （其他內容）
建立簡單的機器人遙控車
問題描述
您想要使用Raspberry Pi作為控制器，建立一個簡單的機器人遙控車。
解決方案
使用RasPiRobot Board v4或其他馬達控制器板作為Raspberry Pi的介面板，控制兩個馬達和機器人底盤套件。要完成這個食譜，您需要以下元件：
- RasPiRobot板v4（見「模組」）
- 底盤和齒輪馬達套件（見「雜項」）
- 四節AA電池盒（見「雜項」）
首先，按照圖11-16的連線指示組裝底盤。
圖11-16. 連線遙控車
電池包將為RasPiRobot板供電，然後RasPiRobot板將為Raspberry Pi供應5V電源。因此，只需要一個電源。
完成的遙控車應該看起來像圖11-17，前面還有一個測距儀。
圖11-17. 完成的機器人
要控制機器人，您將使用一個控制程式，允許您使用連線到Raspberry Pi的筆記型電腦或其他電腦上的鍵盤來控制遙控車。如果您尚未這樣做，請使用配方2.5和配方2.7分別設定您的Raspberry Pi使用WiFi和SSH。
開啟編輯器並貼入以下程式碼（ch_11_rover.py）：
from rrb4 import *
import sys
import tty
import termios
rr = RRB4(6.0, 6.0) # 電池，馬達
UP = 0
DOWN = 1
RIGHT = 2
LEFT = 3
內容解密：
上述程式碼定義了一個簡單的機器人遙控車控制程式。它首先匯入必要的模組，包括rrb4、sys、tty和termios。然後，它建立了一個RRB4物件，代表RasPiRobot板，指定電池和馬達的引數。最後，它定義了四個常數，代表不同的方向：向上、向下、向右和向左。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[開始] --> B[初始化RasPiRobot板]
B --> C[定義方向常數]
C --> D[等待使用者輸入]
D --> E[控制機器人]
E --> F[結束]
上述流程圖展示了控制程式的邏輯流程。它首先初始化RasPiRobot板，然後定義方向常數。接下來，它等待使用者輸入，並根據使用者的輸入控制機器人。最後，它結束程式。
使用鍵盤控制機器人移動
要控制機器人的移動，您可以使用鍵盤的箭頭鍵。以下是基本的控制指令：
- 向上箭頭鍵：向前移動
- 向下箭頭鍵：向後移動
- 向左箭頭鍵：向左轉
- 向右箭頭鍵：向右轉
程式碼實作
import sys
import termios
import tty
print("使用箭頭鍵控制機器人移動")
print("按Ctrl-C離開程式")
def 讀取單個字元():
# 取得標準輸入的檔案描述符
fd = sys.stdin.fileno()
# 儲存當前的終端設定
old_settings = termios.tcgetattr(fd)
try:
# 設定終端為原始模式
tty.setraw(sys.stdin.fileno())
# 讀取一個字元
ch = sys.stdin.read(1)
finally:
# 還原原始的終端設定
termios.tcsetattr(fd, termios.TCSADRAIN, old_settings)
# 如果按下Ctrl-C，則引發KeyboardInterrupt異常
if ch == '\x03':
raise KeyboardInterrupt
return ch
def 讀取鍵盤輸入(getchar_fn=None):
# 如果沒有提供getchar函式，則使用預設的讀取單個字元函式
getchar = getchar_fn or 讀取單個字元
# 讀取第一個字元
c1 = getchar()
# 如果第一個字元不是ESC（\x1b），則直接傳回
if ord(c1)!= 0x1b:
return c1
# 如果是ESC，則繼續讀取第二個字元
c2 = getchar()
內容解密：
上述程式碼提供了基本的鍵盤控制功能，允許使用者使用箭頭鍵控制機器人的移動。其中，讀取單個字元函式用於讀取鍵盤輸入的單個字元，而讀取鍵盤輸入函式則根據讀取到的字元進行相應的動作。
flowchart TD
A[開始] --> B[讀取鍵盤輸入]
B --> C{是否為ESC}
C -->|是| D[讀取第二個字元]
C -->|否| E[傳回字元]
D --> F[執行相應動作]
E --> F
圖表翻譯：
此流程圖描述了程式碼的邏輯流程。首先，程式開始執行，然後讀取鍵盤輸入。若讀取到的字元是ESC（\x1b），則繼續讀取第二個字元；否則，直接傳回讀取到的字元。根據讀取到的字元，程式執行相應的動作。
控制機器人運動的程式碼
import RPi.GPIO as GPIO
import time
# 初始化GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# 定義引腳
LEFT_MOTOR_FORWARD = 17
LEFT_MOTOR_BACKWARD = 23
RIGHT_MOTOR_FORWARD = 24
RIGHT_MOTOR_BACKWARD = 25
# 設定引腳為輸出模式
GPIO.setup(LEFT_MOTOR_FORWARD, GPIO.OUT)
GPIO.setup(LEFT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.OUT)
GPIO.setup(RIGHT_MOTOR_FORWARD, GPIO.OUT)
GPIO.setup(RIGHT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.OUT)
# 定義機器人運動函式
def forward():
GPIO.output(LEFT_MOTOR_FORWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_FORWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(LEFT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.LOW)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.LOW)
def backward():
GPIO.output(LEFT_MOTOR_FORWARD, GPIO.LOW)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_FORWARD, GPIO.LOW)
GPIO.output(LEFT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.HIGH)
def right():
GPIO.output(LEFT_MOTOR_FORWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(LEFT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.LOW)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_FORWARD, GPIO.LOW)
def left():
GPIO.output(LEFT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_FORWARD, GPIO.HIGH)
GPIO.output(LEFT_MOTOR_FORWARD, GPIO.LOW)
GPIO.output(RIGHT_MOTOR_BACKWARD, GPIO.LOW)
# 定義按鍵對應的機器人運動
UP = 0
DOWN = 1
RIGHT = 2
LEFT = 3
# 主迴圈
try:
while True:
keyp = readkey()
if keyp == UP:
forward()
print('向前')
elif keyp == DOWN:
backward()
print('向後')
elif keyp == RIGHT:
right()
print('向右')
elif keyp == LEFT:
left()
print('向左')
內容解密：
上述程式碼使用Python語言控制機器人的運動。首先，初始化GPIO模式並定義引腳。然後，設定引腳為輸出模式。接下來，定義機器人運動函式，包括向前、向後、向右和向左。最後，在主迴圈中，根據按鍵的輸入，呼叫對應的機器人運動函式。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[開始] --> B[讀取按鍵]
B --> C{按鍵判斷}
C -->|UP| D[向前]
C -->|DOWN| E[向後]
C -->|RIGHT| F[向右]
C -->|LEFT| G[向左]
D --> H[執行向前動作]
E --> I[執行向後動作]
F --> J[執行向右動作]
G --> K[執行向左動作]
圖表翻譯：
上述Mermaid圖表展示了程式碼的邏輯流程。首先，開始讀取按鍵。然後，根據按鍵的輸入，判斷要執行哪個動作。最後，根據判斷結果，執行對應的動作。
使用 Raspberry Pi 和 RRB4 函式庫建立遙控機器人
介紹
在本文中，我們將探討如何使用 Raspberry Pi 和 RRB4 函式庫建立一個簡單的遙控機器人。RRB4 函式庫是一個強大的工具，允許您輕鬆控制 Raspberry Pi 的 GPIO 引腳，並建立複雜的機器人專案。
程式碼
import RRB4
# 建立 RRB4 例項
rr = RRB4.RRB4(battery_voltage=6, motor_voltage=6)
while True:
try:
# 讀取按鍵輸入
keyp = input("按鍵：")
# 處理按鍵輸入
if keyp == "w":
rr.forward(1)
print("前進")
elif keyp == "s":
rr.reverse(1)
print("後退")
elif keyp == "a":
rr.left(1)
print("左轉")
elif keyp == "d":
rr.right(1)
print("右轉")
elif ord(keyp) == 3:
break
except KeyboardInterrupt:
# 清理 GPIO 引腳
GPIO.cleanup()
內容解密：
上述程式碼使用 RRB4 函式庫建立了一個簡單的遙控機器人。程式碼首先匯入 RRB4 函式庫，然後建立一個 RRB4 例項，指定電池電壓和馬達電壓。接下來，程式碼進入一個無限迴圈，讀取按鍵輸入並根據按鍵輸入控制機器人的運動。
Mermaid 圖表
flowchart TD
A[開始] --> B[讀取按鍵輸入]
B --> C[處理按鍵輸入]
C --> D[控制機器人運動]
D --> E[重複迴圈]
圖表翻譯：
上述 Mermaid 圖表展示了程式碼的流程。程式碼首先開始，然後讀取按鍵輸入，接下來處理按鍵輸入並控制機器人的運動，最後重複迴圈。
討論
您可以透過新增 webcam 和設定網路直播來使機器人更加有趣。RRB4 函式庫還支援 HC-SR04 距離感測器，可以用於檢測障礙物。
參考
您可以在 GitHub 上找到更多關於 RasPiRobot 板和 RRB4 函式庫的資訊。
從使用者經驗視角來看，建構一個可操控的機器人，涉及到硬體組裝、軟體程式設計和控制介面設計等多個環節。本文介紹了使用Stepper Motor HAT和RasPiRobot Board兩種方案控制雙極步進電機，並進一步延伸至建構遙控機器人的應用。分析比較兩種方案，Stepper Motor HAT更適用於需要精確控制多個電機的場景，而RasPiRobot Board則更簡潔易用，適合入門級的機器人專案。兩種方案的程式碼範例都清晰易懂，降低了開發者的學習曲線，但對於初學者而言，更詳細的電路連線圖和程式碼註解將更有助於理解。技術限制方面，兩種方案都依賴於特定的硬體平臺，限制了其通用性。此外，程式碼範例中對於錯誤處理和異常情況的考慮不夠完善，例如在鍵盤控制程式碼中缺少對於非預期輸入的處理。展望未來，整合更多感測器，例如超音波感測器、陀螺儀等，並結合機器學習演算法，可以賦予機器人更智慧化的自主導航和避障能力。對於進階使用者，可以考慮使用ROS（Robot Operating System）等機器人作業系統，構建更複雜的機器人應用。玄貓認為，根據Raspberry Pi的機器人開發平臺，因其低成本、易上手和豐富的社群資源，將持續吸引更多創客和開發者加入，推動機器人技術的普及和發展。建議開發者在選擇方案時，充分考慮專案需求和自身技術水平，並積極探索新的技術和工具，不斷提升機器人的功能和效能。
