2.4 规划组件和代码结构

现在，您已经简单了解了机器人中可能会用到的一些组件，并且遇到了将它们组合在一起的框图。在这里，您可以开始下一步，进一步思考如何将各部件连接起来，以及为它们编写的代码将如何结构化。

将代码看作逻辑块而不是一大块时，更容易进行推理。以类似于硬件功能图的方式来安排代码，将有助于在代码变得越来越复杂时为你导航。

电机控制器有很多种。它们有不同的方式向电机输出信号，还可能对电池电量进行监控。有些智能电机控制器可直接与车轮编码器连接，以确保车轮已完成指定的行程。当我们为机器人编写行为时，如果更换了电机控制器，我们可能就不想重写了。将直接的电机控制器代码与行为代码混合在一起，也会增加推理难度。为此，我建议创建一个接口层，即实际电机控制器代码与标准接口之间的抽象层，这样就可以交换组件了。

每个传感器的情况也类似。它们将有一些代码来管理如何获取信号并将其转化为可用数据。所有这些设备在启动或停止与它们连接的行为时，都可能需要运行设置和拆卸代码。摄像头就是一个复杂的例子，需要经过处理才能获得我们可以用来执行任务的数据值：

与硬件一样，一个简单的图表也可以表示软件。它可以用绘图程序绘制，也可以在手边的任何纸张上草绘。图中，我特意选择了手绘的方上式，这样你就不会觉得需要用绘图工具才能完成。这不会很整洁，但很快就能重新绘制，甚至可以在外出就餐时突发奇想，在收据纸的背面完成。与此相关的是，如果使用铅笔，请用钢笔或细线笔再画一遍，以免褪色。为了让读者看得更清楚，我还在电脑上画了一幅图，但你不必这样做。

手绘草图后，可以使用软件工具。这将比手绘版本花费更多时间，而且尽量不要被工具的怪异和风格所干扰。

就设计本身而言，这仍然是一个非常简单的视图。车轮框将是一个代码块，处理要求车轮电机控制器做的事情。这些代码可以是电机控制器公司编写的代码，也可以使用连接到控制器的 I/O 引脚。

距离传感器是一个代码块，用于从传感器读取距离，并在必要时触发传感器。我们将对两种不同的传感器进行比较。有了这样的代码块，在这一层更改传感器就意味着其他代码无需更改。

相机也有一个代码块，负责设置相机、分辨率、白平衡等繁琐的工作，其他部分我们将陆续介绍。在此之上是一个将使用相机图像的图层。该层可以获取彩色物体的位置，并将该位置返回给上一层。

横跨电机和距离传感器的是行为层，它可以让机器人避免碰撞，也许是当它的一侧低于阈值时。这将覆盖其他行为，让机器人转向远离障碍物，然后开走一段距离。

顶层是另一个行为，它从 "获取对象位置 "代码中获取位置数据。利用该位置选择一个方向，然后指示电机驶向目标。如果该行为通过 "避免碰撞 "行为，则可能会产生复杂的交互，导致机器人在避开障碍物和绕过物体的同时，寻找正确的物体。同时，机器人也不会靠近检测到的物体，以免与之发生碰撞。

每个模块都相对简单，也许更接近硬件的下层更为复杂，尤其是摄像头。

将代码分解成这样的模块意味着你可以一次只处理一个模块，测试并调整其行为，然后再专注于另一个模块。当你编写了这样的代码块后，就可以重复使用它们。您可能需要多次使用电机代码，而现在不需要多次编写。

使用程序块来描述我们的软件，可以让我们以不同的方式实现程序块及其交互。我们可以考虑是使用函数、类还是服务来实现这些模块。当我们开始编写代码时，我将花更多时间讨论这个问题，并展示不同的方法。

2.5 规划物理机器人

现在，让我们利用所有这些知识，规划一下我们在本书中制作的机器人物理部分的布局。在学习各章节的过程中，我们每次都会添加新的部件，因此，在学习的过程中，在头脑中保持一张整体地图，有助于我们看清自己所处的位置。开始描绘机器人要做的所有事情是一件令人兴奋的事情。让我们先列出我们的机器人会做什么和会是什么：

• 它将有轮子，可以在地板上行驶。
• 它将有一个 Raspberry Pi 3A+ 控制器。
• 它将有一个车轮电机控制器。
• 它将能用一组多色 LED 指示其状态。
• 机器人将使用一对伺服电机来实现摇摆和倾斜机构。
• 它能够避开墙壁，并利用超声波或激光测距传感器绕过障碍物。
• 它的每个轮子都有一个编码器，可以知道自己移动了多远。
• 机器人将使用摄像头来感知彩色物体或人脸。
• 它还能用摄像头追踪线路。
• 机器人将有一个麦克风和扬声器，可以使用语音指令。
• 它将有一个游戏手柄作为遥控器。
• 所有这些都需要电源。
  呼！功能还真不少。现在，我们需要绘制硬件模块。图 2.14 显示了我们的框图。虽然是用 Draw.io 完成的，但简单的封底草图也是机器人规划的良好开端。我的大多数机器人都是这样开始的：

虽然这看起来像是一个令人生畏的机器人，但我们将在每一章中专注于一个功能区域，并在转向其他区域之前构建它。这里的注释并不是任何正式的符号，它只是一种将所有需要连接的部件可视化的方式。与此同时，我通常会勾勒出传感器和部件之间的大致物理位置：

使用Draw.io绘制的机器人物理布局示意图

• 传感器有清晰的视野，距离传感器指向两侧。我会在相关的传感器章节中详细说明这一点的重要性。
• 编码器放置在需要使用的车轮上方。
• 重物，特别是电池，应放在低处（低于重心），以免机器人翻倒。
• 电池需要更换，因此要考虑如何取用。
• 尽量让直接连接的部件彼此靠近。
• 这只是一个粗略的计划。不需要这么详细，这也不是试装。实际尺寸、设计折衷和缺陷都意味着这将会发生变化。这只是一个起点。

在本书的学习过程中，我们将研究这些图表中的细节，并开始充实真正的机器人，使其中一些细节不再模糊。在项目开始时，任何这样的图表都应该被视为有点粗糙。它不是按比例绘制的，不应盲目照搬。它只是一个指南，或者说是开始工作的快速地图。

2.6 小结

在本章中，您已经了解了机器人的各种组成部件，并通过方框图开始想象如何将这些部件组合成一个完整的机器人。你们已经了解了如何在信封上快速勾画出自己的机器人创意，以及如何利用计算机上的绘图工具绘制出更整洁的同一张图。您已经快速了解了电机、传感器和控制器，以及控制器与其连接的其他设备进行通信的几种方式，包括模拟、数字、PWM 和数据总线。在此基础上，你已经看到了我们将在本书中制作的机器人的平面图。