使用英特尔® XDK、Node.js 和 MRAA 库对机器人进行编程

简介：

现在，我们可以从兴趣商店，或者 dfrobot.com 这样的在线商店购买各种各样的可编程机器人套件。而且，您也可以学习并掌握多种不同的平台、编程语言和工具。 Dfrobot* 创建了一个坦克机器人平台 — Devastator，其中包含 Romeo* 控制器板。该控制器板经过修改后可与英特尔® Edison 计算模块配合使用，以便提供更多的功能，以及更多的 I/O、集成 WiFi、USB 主机、伺服控制和处理性能。该套件随机提供 USB 连接并可通过 Arduino* IDE 编程。

本文介绍了另外一种机器人编程方法，即使用英特尔® XDK 并通过 WiFi、Node.js* 和 MRAA 库进行编程。本文特别讨论了所使用的工具 — Romeo 控制器板、映射外设针、创建英特尔 XDK 项目以及实施用于机器人的传感器和制动器。

最后，文本将对所讨论的概念进行汇总，同时提供一个机器人原型，以便实现自动运行并避免碰撞。

机器人平台入门：

如欲了解 Devastator 机器人平台的简介和入门信息，请访问：

https://software.intel.com/zh-cn/articles/overview-of-intel-edison-based-robotics-platform

使用的工具：

Node.js*:

Node.js* 是一种轻型 JavaScript 运行时，其非阻塞 I/O 模型拥有一个大规模的开源库生态系统。如欲了解关于 Node.js 的更多信息，请访问：

https://nodejs.org/en/about/

MRAA 库：

MRAA 是一种基于 Linux 的开源低级别 C 外设库，具备面向 C++、Python、Node.js 和 Java 语言的绑定。这可以帮助开发人员灵活地选择熟悉的语言来部署 IoT 应用。该库支持多种 x86 和 ARM 平台，并具备通用的 API。英特尔® Edison 在其 Linux 映像中预装了 MRAA 库，而且英特尔 XDK 可管理更新，确保库获得最新的版本。如欲了解更多有关 MRAA 的信息，请访问下列链接：

https://github.com/intel-iot-devkit/mraa

http://iotdk.intel.com/docs/master/mraa/edison.html

英特尔 XDK：

英特尔 XDK 是一种全面的 IDE，可通过 WiFi 连接来开发、编程和调试英特尔® Edison 物联网应用。它配备了 Node.js 环境并且支持 MRAA。该工具可从以下地址免费下载：

https://software.intel.com/zh-cn/intel-xdk

Romeo 英特尔® Edison 控制器板：

查看示意图有助于了解关键的系统组件，以及如何将可用的外设映射至机器人使用的传感器和制动器。机器人使用不同的外设来完成不同的任务。以下列出了机器人映射的外设组件。从物理针到 MRAA 针可以进行额外的映射。初始化外设时，我们将在代码中使用该针外设。此外，该控制器板上还配有转换器。此外，下表还对这些针进行了说明，以帮助您在查看示意图时更好的理解。

组件：	外设：	英特尔® Edison 针：	转换针：	MRAA 针：
被动红外传感器	数字输入	GPIO43	D11	38
倾斜伺服	PWM	PWM1	D5	14
平移伺服	PWM	PWM0	D3	20
超声波传感器	UART TX UART RX	GP131 GP130	D1/TX D0/RX	UART0
左侧 LED	数字输出	GPIO48	D7	33
右侧 LED	数字输出	GPIO41	D10	51
蜂鸣器	PWM	PWM2	D6	0
有刷 DC 电机	I2C SCL I2C SDA	SDA1 SCL1	I2C1_SDA I2C1_SDL	I2C0

如欲查看英特尔® Edison 的 MRAA 针映射表，请访问：

http://iotdk.intel.com/docs/master/mraa/edison.html

Romeo 示意图可从以下地址下载：

https://github.com/Arduinolibrary/DFRobot_Intel_Edison/blob/master/Romeo%20for%20Edison%20Controller%20Schematic.pdf?raw=true

创建英特尔 XDK 项目：

我们已经讨论了要使用的工具并了解了示意图，现在我们可以在英特尔 XDK 中创建新项目，开发机器人代码。

创建新项目：

点击 New Project 按钮

点击 Blank Iot Node.js 模板

命名->点击 Create

连接到开发板

点击 Upgrade XDK 后台程序并更新开发板上的库

传感器和制动器组件实施：

现在我们创建了一个新的项目并连接至开发板，下面我们要编写一些代码，以便连接至 LED、红外传感器、伺服器、蜂鸣器、超声波传感器和有刷 DC 电机组件。

MRAA 初始化：

通过下面的代码可以在项目中进行 MRAA 库的初始化。

//MRAA Initialization
var m = require("mraa");

LED 指示灯：

机器人的前部安装了两个 LED 指示灯。这些指示灯可用于指示机器人的移动方向、对象检测和距离等。

针对 MRAA 针 33 和 51 创建两个 MRAA GPIO 对象即可初始化 LED。这些针均被设置一个带有dir()函数的 OUTPUT，默认情况下设置一个 LOW 值。

var leftLED = new m.Gpio(33);
var rightLED = new m.Gpio(51);
leftLED.dir(m.DIR_OUT_LOW);
rightLED.dir(m.DIR_OUT_LOW);

典型的 LED 功能通常为开、关和切换 LED。这些功能可通过下面的代码来实现，右侧 LED 使用 GPIO write()和 read()功能。

//Turn On
rightLED.write(1);

//Turn Off
rightLED.write(0);

//Toggle
rightLED.write(rightLED.read()^1);

被动红外传感器 (PIR)：

被动红外传感器安装在坦克机器人的后部，当机器人向后移动时可以发出移动指示。如果检测到移动，传感器会发出 HIGH 指示；如果未检测到移动，传感器会发出 LOW 指示。

传感器初始化与 LED 初始化相似，它使用面向 MRAA 针 38 的 GPIO 对象，但是使用dir()函数将传感器配置为 INPUT。

var pirMotionSensor = new m.Gpio(38);
pirMotionSensor.dir(m.DIR_IN);

使用下面的函数轮询传感器，有助于轻松地检测移动。使用read()函数来轮询传感器。如果检测到移动，函数返回 TRUE；如果未检测到移动，则返回 FALSE.

function isMotionDetected() {
    if (pirMotionSensor.read())
        return true;
    else
        return false;
}

伺服器：

该机器人包含两个伺服器。第一个伺服器用于平移超声波传感器和摄像头。平移操作可帮助机器人向左看和向右看，并确定其附近有何物品。第二个伺服器用于向上和向下倾斜摄像头的角度。标准伺服器最少每隔 20 毫秒或 50Hz 进行一次周期性脉冲。脉冲宽度决定伺服器的位置，每隔 1 到 2 毫秒对伺服器的位置进行配置。例如，1 毫秒脉冲宽度将伺服器移动至 0 度位置，1.5 毫秒脉冲宽度将伺服器移动至 90 度中间位置，2 毫秒脉冲将伺服器移动至 180 度位置。使用脉冲宽度调制 (PWM) 外设可以轻松地实现这一点。

使用 MRAA 针 14（用于倾斜）和 20（用于平移）创建两个 MRAA PWM 对象即可初始化伺服器。使用 PWM period_us()函数可以配置伺服器周期（微妙）。完成外设初始化之后，通过调用panCenter()和tiltCenter()函数使伺服器处于中间位置。

var tiltServo = new m.Pwm(14);  //PWM1
var panServo = new m.Pwm(20);   //PWM0
tiltServo.period_us(10000);  //100Hz -> 10ms Period
panServo.period_us(10000);   //100Hz -> 10ms Period
panCenter();
tiltCenter();

借助panRight()、panLeft() 和panCenter()函数可以移动平移伺服器。这些函数可以配置 PWM 外设的脉冲宽度，具体方法是调用pulsewidth_us()函数，然后通过调用enable(true)函数来启动外设。借助sleep()函数可实现一个短暂的延迟以便支持伺服器移动，然后通过调用enable(false)函数来禁用外设。

function panRight() {
    panServo.enable(false);
    panServo.pulsewidth_us(1000); //0 degree position
    panServo.enable(true);
    sleep(200);
    panServo.enable(false);
}

function panLeft() {
    panServo.enable(false);
    panServo.pulsewidth_us(2000); //180 degree position
    panServo.enable(true);
    sleep(200);
    panServo.enable(false);
}

function panCenter() {
    panServo.enable(false);
    panServo.pulsewidth_us(1500); //90 degree position
    panServo.enable(true);
    sleep(200);
    panServo.enable(false);
}

上下移动倾斜伺服器与移动平移伺服器的操作非常相似，区别在于使用的角度有所不同。经过试验后确定使用更加实际的角度。以下列出的是tiltUp()、tiltDown() 和 tiltCenter()函数。

function tiltUp() {
    tiltServo.enable(false);
    tiltServo.pulsewidth_us(1250); //45 degree position
    tiltServo.enable(true);
    sleep(200);
    tiltServo.enable(false);
}

function tiltDown() {
    tiltServo.enable(false);
    tiltServo.pulsewidth_us(1750); //135 degree position
    tiltServo.enable(true);
    sleep(200);
    tiltServo.enable(false);
}

function tiltCenter() {
    tiltServo.enable(false);
    tiltServo.pulsewidth_us(1500); //90 degree position
    tiltServo.enable(true);
    sleep(200);
    tiltServo.enable(false);
}

蜂鸣器：

该机器人包含一个蜂蜜器，用于不同事件的声音提示。例如，当机器人接近一个物体时，它会从 c 大调音阶发出不同的声音，以便提示其距离。此外，蜂鸣器也使用 PWM 外设，因此其初始化和使用方式与伺服器相似。其思维模式与伺服器稍有不同，因为我们将 PWM 外设用作一个简单的数字到模拟转换器 (DAC)。

借助 MRAA 针 0 上的 MRAA PWM 对象即可初始化蜂鸣器。振幅可通过write()函数来配置，这样便可配置 PWM 工作周期并初始化为 0。调用enable(false)函数可以禁用外设。

var buzzer = new m.Pwm(0);  //PWM2
buzzer.write(0.0);  //Duty Cycle
buzzer.enable(false);

使用蜂鸣器创建声音，具体方法是使用period_us() 函数设置声音频率，然后通过调用enable(true)函数来启用声音。以下是一个示例函数，可播放 c 大调音阶的一个八度音阶，用于初始化机器人时发出的提示音调。一个简单的 125 毫秒计时器循环可播放音符，并且逐渐增加至八度音阶的下一个音符。

var state2=0;
var handle2=setInterval(notes,125); //125ms timer loop

function notes() {
    switch (state2){
       
        //C4
        case 0: buzzer.enable(false); buzzer.period_us(3831); buzzer.enable(true); state2++; break;
       
        //D4
        case 1: buzzer.enable(false); buzzer.period_us(3412); buzzer.enable(true); state2++; break;
       
        //E4
        case 2: buzzer.enable(false); buzzer.period_us(3039); buzzer.enable(true); state2++; break;
       
        //F4
        case 3: buzzer.enable(false); buzzer.period_us(2865); buzzer.enable(true); state2++; break;
       
        //G4
        case 4: buzzer.enable(false); buzzer.period_us(2551); buzzer.enable(true); state2++; break;
       
        //A4
        case 5: buzzer.enable(false); buzzer.period_us(2272); buzzer.enable(true); state2++; break;
       
        //B4
        case 6: buzzer.enable(false);buzzer.period_us(2028); buzzer.enable(true);state2++; break;
       
        //C5
        case 7: buzzer.enable(false);buzzer.period_us(1912); buzzer.enable(true);state2++; break;   
       
        //End
        default: clearInterval(handle2); state2=0; buzzer.enable(false); break;
    }
}

超声波传感器：

机器人上的超声波传感器用于确定与一个物体的距离。该传感器安装在机器人的前部，借助前面介绍的平移伺服器可进行左右平移，进而查看周围的环境。该传感器具有 3 个不同的接口，用于收集距离数据。这 3 个接口分别为 PWM 输出、模拟输出或 UART 接口。您可以从下面的 wiki 了解关于该传感器的更多信息，其中包括传感器、不同的接口和命令协议等有用信息。

https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/URM37_V4.0_Ultrasonic_Sensor_(SKU:SEN0001)#Introduction

对于我们的 Node.js 程序来说，UART 接口与传感器配合使用以读取距离数据。传感器 TXD 针 9 连接到英特尔® Edison RX GP130，传感器 RXD 针 8 连接到英特尔® Edison TX GP131。

创建一个 MRAA UART 对象可实现 UART 初始化。使用setBaudRate()函数将波特率设置为 9600 bps，并使用 setMode()设置数据模式，使用setFlowControl()函数设置流控制功能。此外，还需要设置命令缓冲区来读取传感器数据。命令缓冲区字节 0 包含命令代码，字节 1 和 2 是虚拟字节，字节 3 是数据包的校验和。

var u = new m.Uart(0); //Default
u.setBaudRate(9600);
u.setMode(8,0,1);
u.setFlowcontrol(false, false);
sleep(200);   
var command = new Buffer(4);
command[0] = 0x22;
command[1] = 0x00;
command[2] = 0x00;
command[3] = 0x22;

要从传感器获得距离数据，需要向 UART 发送命令数据包，然后接收响应数据包。下面的函数可确定一个对象在既定阈值下的距离是否较近，并返回 TRUE 或 FALSE。命令数据包在上面的初始化中设置，并通过调用write()函数向 UART 发送。响应数据包在延迟后收到，然后调用read()函数。响应数据包缓冲区字节 0 是虚拟字节，字节 1 和 2 是高字节和低字节（根据距离数据，单位是厘米），字节 3 是校验和。要确定数据是否有效，需要对校验和进行分析，然后将数据与阈值比较。

function isObjectClose(threshold) {
    var rxBuf;
    var result;
    u.write(command);
    sleep(200);
    rxBuf = u.read(4);
    sleep(200);
 
    if (rxBuf[3] == (rxBuf[0]+rxBuf[1]+rxBuf[2])) {
        result = (rxBuf[1]<<8) | rxBuf[2];

        if (result < threshold)
            return true;
        else
            return false;
    }

    else
        return true;
}

有刷 DC 电机：

该机器人能够前后和左右移动。该机器人外壳的左右两侧相对安装了两个有刷 DC 电机。查看示意图后，您将会发现 Romeo 板包含一个全桥电机控制驱动程序，该驱动程序连接至 Atmega8* 微控制器。英特尔® Edison 使用 I2C 接口与微控制器通信。您可以查看该微控制器中实施的代码，以便了解程序化的 I2C 从地址，以及用于控制电机的命令接口。英特尔® Edison 是 I2C 主地址，微控制器是 I2C 从地址 0x4。

如欲了解关于微控制器代码的更多信息，请访问：

https://github.com/ouki-wang/remeo4edison/blob/master/NG/NG.ino

请查看下表，了解机器人方向与电机方向之间的关联。

方向：	左电机	右电机
前进	逆时针	逆时针
后退	顺时针	顺时针
向左	逆时针	顺时针
向右	顺时针	逆时针

创建一个新的 MRAA I2C 对象可实现 I2C 外设初始化。通过调用 address()函数设置从地址。此外，对命令缓冲区进行初始化，包含头部字节 0 和 1。命令数据包中的其余字节将在稍后讨论。

var x = new m.I2c(0);
x.address(4);
var buf = new Buffer(5);
buf[0] = 0x55;  //Header 1
buf[1] = 0xaa;  //Header 2

下面的函数使机器人向前移动（向函数传递 8 位速度值）。函数提供 I2C 命令，以便设置左电机方向、右电机方向、左电机速度和右电机速度。命令缓冲区其余的命令字节是命令代码（字节 2），用于控制电机方向命令或电机速度命令；命令参数（字节 3），用于设置电机方向值或电机速度值；以及校验和（字节 4）调用write()函数可发送 I2C 命令。

function tankForward(speed) {
    if (speed > 0xFF)
        speed = 0xFF;

    //Left Motor CounterClockwise
    buf[2] = 0xB1;
    buf[3] = 0x1;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Right Motor CounterClockwise
    buf[2] = 0xB2;
    buf[3] = 0x1;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Left Motor Speed
    buf[2] = 0xC1;
    buf[3] = speed;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Right Motor Speed
    buf[2] = 0xC2;
    buf[3] = speed;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);
}

下面列出了其他的函数，可通过相似的方法来向后、向左、向后以及停止机器人。

function tankBackward(speed) {  
    if (speed > 0xFF)
        speed = 0xFF;

    //Left Motor Clockwise
    buf[2] = 0xB1;
    buf[3] = 0x0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);
 

    //Right Motor Clockwise
    buf[2] = 0xB2;
    buf[3] = 0x0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Left Motor Speed
    buf[2] = 0xC1;
    buf[3] = speed;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);


    //Right Motor Speed
    buf[2] = 0xC2;
    buf[3] = speed;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);
    sleep(2000);
}

function tankRight() {
    //Left Motor Clockwise
    buf[2] = 0xB1;
    buf[3] = 0x0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);  

    //Right Motor Counter-Clockwise
    buf[2] = 0xB2;
    buf[3] = 0x1;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Left Motor Speed
    buf[2] = 0xC1;
    buf[3] = 0x90;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Right Motor Speed
    buf[2] = 0xC2;
    buf[3] = 0x90;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);
    sleep(2000);
}

function tankLeft() {    
    //Left Motor Counter-Clockwise
    buf[2] = 0xB1;
    buf[3] = 0x1;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);


    //Right Motor Clockwise
    buf[2] = 0xB2;
    buf[3] = 0x0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Left Motor Speed
    buf[2] = 0xC1;
    buf[3] = 0xC0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Right Motor Speed
    buf[2] = 0xC2;
    buf[3] = 0xC0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);
    sleep(2000);
}

function tankStop() {
    //Left Motor Speed
    buf[2] = 0xC1;
    buf[3] = 0x0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);

    //Right Motor Speed
    buf[2] = 0xC2;
    buf[3] = 0x0;
    buf[4] = (buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) & 0xFF;
    x.write(buf);
}

自动机器人：

我们构建了相应的函数基础，以便使用 MRAA 库连接传感器和制动器。现在，我们可以创建一台状态机，以支持机器人自动移动并避免碰撞。其原理是，机器人尝试向前移动，直到检测到接近一个物体。当接近一个物体时，它将尝试向后移动（如果其后方没有移动）。机器人将尝试向左或向右移动以避免碰撞物体，然后再次尝试向前移动。请查看下面的流程图，了解向前、向后、向左和向右移动的状态以及后续的实施。

流程图：

实施：

var state=0;     //0-forward 1-backward 2-right 3-left
var turnDirection=0; //0-right 1-left

while(1) {
    switch (state) {
        //Forward State
        case 0:
            panCenter();
            if (isObjectClose(10)) {
                state=1;  //Go to Backwards State
            }
            else {
                tankForward(0x7F);
            }
        break;   

        //Backward  State
        case 1:
                tankStop();
                while (isMotionDetected()) {sleep(100); }
                tankBackward(0x7F);
                tankStop();
                state=2^turnDirection;  //Go to Right or Left State
        break;

        //Right State
        case 2:
            panRight();
            if (isObjectClose(10)) {
               state=1;
            }
            else {
                tankRight();
                tankStop();
                turnDirection ^=1;
                state=0;  //Go to Forward State
            }
        break;         

        //Left State
        case 3:
            panLeft();
            if (isObjectClose(10)) {
               state=1;
            }
            else {
                tankLeft();
                tankStop();
                turnDirection ^=1;
                state=0;  //Go to Forward State
            }  
        break;

        default:
            tankStop();  //Should never get here
        break;
    }
}

总结：

借助英特尔 XDK，我们展示了如何通过 WiFi 对机器人进行无线编程。我们讨论了如何查看外设和组件的示意图，以便与 MRAA 库结合使用。我们介绍了传感器和制动器组件，以及如何使用 Node.js 和 MRAA 库来实施相关的功能。最后，我们介绍了自动机器人概念，并提供了流程图和实施结果。

作者简介：

Mike Rylee 是英特尔公司的一名软件工程师，曾致力于开发基于 Android*、Windows*、iOS* 和 Mac* 运行的嵌入式系统和应用。他目前正在从事物联网项目。

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