2 Petoi + Arduino开发例程
1.0 准备工作——烧写Opencat框架
下述例程中，有以下的几个例程需要在Opencat框架下进行开发：
通过token+cmd的方式对机器人实现代码控制
动作组详解（Petoi的方法调用和设计动作组）
实现光线跟随
根据手势完成动作组
写一个自己的蓝牙遥控器
超声波实现跟随
这些代码请在Opencat框架下进行修改，Opencat的烧录请参阅： https://docs.petoi.com/v/chinese/arduino-ide/wei-nyboard-shang-chuan-cheng-xu#xia-zai-opencat-ruan-jian-bao
关于代码包中的文件框架以及token+cmd控制解读请参阅： OpenCat程序框架
1.1 第一个Arduino程序：helloWorld：
本例程为串口的简单使用，链接烧录器到电脑，配置串口接收器，就能够收到来自于Petoi发出的“helloWorld”
1void setup() {
2 // put your setup code here, to run once:
3 Serial.begin(115200);
4 Serial.println("Hello World!");
5 Serial.print("Welcome to Petoi!\n");
6}
7
8void loop() {
9 // put your main code here, to run repeatedly:
10
11}
1.2 学会说话：串口通讯与串口监视器
在前文中，我们已经简单的介绍了Arduino函数对于串口的使用，但ArduinoIDE的串口监视器还有一些设置的细节和应用。串行通讯的实质是协议，收发方按照一定的规则对数据进行编码，发送，接受，解码，从而实现串口的通讯。如果你想更深入的了解Arduino的串口数据形式，协议内容，硬件设计。请参阅： https://www.w3cschool.cn/arduino/arduino_communication.html 和官方文档
串口绘图器的使用
在进行实验时，经常需要通过串口持续的检测模拟输入的值，那么能将这些数据通过折线图的方式绘制出来，就能帮助我们更好的记录和了解输入情况和变化。
串口绘图仪实际上是从预设的串口获取值并将其绘制在xy轴图。X轴可以说是一个时间实例，读取数据的速度起快，滑动就越快。 Y轴代表来自串口的值，可以是单个也可以是一组 。在读取串口数据时遇到” \n “（换行或通过 Serial.println("") ）则表示切换到下一行数据，同行数据的不同组的数据通过( , )间隔。
例如，如下的数据形式：
100, 200, 300
100, 200, 300
100, 200, 300
100, 200, 300
最终可以得到三条直线。
在实际的输出中，常常是一个大小不断变化的数值，串口绘图器会根据这些数据自动调整量程，从而来回跳变，为了避免这种变化，可以输入一个很大的常数，绘制直线来限制量程的变化
1.3 模拟信号的读取
本例程为模拟信号输入的一个简单例程，也是多种传感器使用的基础。代码如下：
1#define IR_PIN 4 // Signal Pin of IR receiver to Arduino Digital Pin 4
2#define BUZZER 5
3
4void setup() {
5 // put your setup code here, to run once:
6 Serial.begin(115200);
7}
8
9void loop() {
10 // put your main code here, to run repeatedly:
11
12 Serial.print(analogRead(A2));
13 Serial.print('\t');
14 Serial.print(analogRead(A3));
15
16 Serial.print('\t');
17 Serial.print(0);
18 Serial.print('\t');
19 Serial.print(1024);
20
21 Serial.println();
22 delay(2);
23
24}
Arduino的模拟输入的范围为0~1024，即使不接入传感器，我们同样也可以对模拟接口人为的进行干扰(晃一晃，按一按啥的),就能看到数值的变化。该模块的输出同样可以使用串口绘图器及逆行观察。
1.4 数字信号的读取（施工中）
1.5 输出PWM信号
PWM波常用来进行舵机等的控制，在Arduino的内置库中集成了 Servo.h 用来完成对于伺服电机的控制。库提供了两种方法：
Knob : 用电位器控制伺服的位置。
Sweep : 扫描伺服电机前进后退的轴。
具体的使用可查看IDE中所提供的示例
同样，Arduino也设计了用来控制步进电机的库文件 Stepper.h。
更普遍的情况是，你需要自己来产生一个具有特定性质(频率，参考电压，占空比等)的PWM波，有两种较为常见的方法来实现：
1、利用循环和延时在主程序中实现PWM波的输出，代码如下：
1void loop()
2{
3 digitalWrite(13, HIGH);
4 delayMicroseconds(100); // Approximately 10% duty cycle @ 1KHz
5 digitalWrite(13, LOW);
6 delayMicroseconds(1000);
7}
这样实现的PWM波的漏洞是很大的他对于资源的占用很多，且由于循环本身存在延时，程序较为繁杂的时候，延时误差很大，如果是其他的单片机，我们常常通过一个中断的方式输出PWM，利用现有的时钟进行触发，仅通过分频就能够实现十分精准的周期控制。Arduino也有类似的操作。Arduino内置了三个定时器：Timer0负责控制delay等函数，一般不做改动；Timer1的计数器是16位的；因此我们一般对Timer2来进行分频，实现不同的频率，占空比的PWM输出，参考代码如下：
1void setup() {
2 // put your setup code here, to run once:
3
4 pinMode(3, OUTPUT);
5 pinMode(11, OUTPUT);
6
7 TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20); //Set Timer2 to varying top limit fast PWM mode
8 TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS22) | _BV(CS21) | _BV(CS20);//another way to set prescaler CS2=fff
9
10 OCR2A = 155; //Top value A
11 OCR2B = 30; //Toggle value B, Output at pin 3
12
13 //CS2 Divisor Frequency
14 //001 1 31372.55
15 //010 8 3921.16
16 //011 32 980.39
17 //100 64 490.20 <--DEFAULT
18 //101 128 245.10
19 //110 256 122.55
20 //111 1024 30.64
21}
22
23void loop() {
24// put your main code here, to run repeatedly:
25
26}
接下来简要解读这部分的代码。首先是 pinMode() 这个函数的功能已经在前文中叙述过了。可以发现这里选择的引脚是 pin3 和 pin4 这是因为 Timer2 所控制的 pin 脚正是3和11；如果想了解其他 pin 的设置，请参阅Arduino对应开发板的官方手册(datasheet)。
TCCR2A/B是用来控制Timer2计数器的模式与预除数的大小从而实现对于主时钟的分频，它名字中的2就是此意，CS2位是来控制Timer2计数器预除数的。以本示例中的代码为例： _BV(CS22) | _BV(CS21) | _BV(CS20)的三部分由逻辑按位或“|”连接；每个BV是按位赋注（bit value）的意思；_BV(CS22 )= 在CS2里，1<<2(把1左移2位) = 00000100；得到三部分分别是00000100，00000010，00000001；按位或最终得到0111；查代码里的表得到对应的预除数是1024。这样，我们所得到的实际频率就是：16 MHz / 1024
OCR2A/B：这是计时器中的两个比较寄存器，OCR2A控制pin11的占空比，OCR2B控制pin3的占空比。计时器中还有一个0~255的计数器。每过一个时钟周期，这个计数器的数目就+1，当数目达到255后就自动清零。这个比较寄存器的实际作用是当计数器的数比其小的时候，输出为高电平，比其高的时候输出为低电平。
显然，经过0~255的过程才是完成了一个PWM的周期，所以实际的PWM输出就是 16 MHz / 1024 / 64
1.6 蜂鸣器
tone()
tone() 函数可以产生固定频率的PWM信号来驱动扬声器发声。发声时间长度和声调都可以通过参数控制。定义发声时间长度有两种方法，第一种是通过 tone() 函数的参数来定义发声时长，另一种是使用 noTone() 函数来停止发声。
参数
pin: 发声引脚（该引脚需要连接扬声器）
frequency: 发声频率（单位：赫兹） – 无符号整数型
duration: 发声时长（单位：微秒，此参数为可选参数) – 无符号长整型
返回值: 无
以下为蜂鸣器的示例程序：
1/*
2 Melody
3
4 Plays a melody
5
6 circuit:
7 - 8 ohm speaker on digital pin 8
8
9 created 21 Jan 2010
10 modified 30 Aug 2011
11 by Tom Igoe
12
13 This example code is in the public domain.
14
15 https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BuiltInExamples/toneMelody
16*/
17
18#include "pitches.h"
19
20// notes in the melody:
21int melody[] = {
22 NOTE_C4, NOTE_G3, NOTE_G3, NOTE_A3, NOTE_G3, 0, NOTE_B3, NOTE_C4
23};
24
25// note durations: 4 = quarter note, 8 = eighth note, etc.:
26int noteDurations[] = {
27 4, 8, 8, 4, 4, 4, 4, 4
28};
29
30void setup() {
31 // iterate over the notes of the melody:
32 for (int thisNote = 0; thisNote < 8; thisNote++) {
33
34 // to calculate the note duration, take one second divided by the note type.
35 //e.g. quarter note = 1000 / 4, eighth note = 1000/8, etc.
36 int noteDuration = 1000 / noteDurations[thisNote];
37 tone(5, melody[thisNote], noteDuration);
38
39 // to distinguish the notes, set a minimum time between them.
40 // the note's duration + 30% seems to work well:
41 int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30;
42 delay(pauseBetweenNotes);
43 // stop the tone playing:
44 noTone(5);
45 }
46}
47
48void loop() {
49 // no need to repeat the melody.
50}
为了实现该程序，还需要使用头文件对声调和对应PWM进行如下的声明
1/*************************************************
2 Public Constants
3 *************************************************/
4
5#define NOTE_B0 31
6#define NOTE_C1 33
7#define NOTE_CS1 35
8#define NOTE_D1 37
9#define NOTE_DS1 39
10#define NOTE_E1 41
11#define NOTE_F1 44
12#define NOTE_FS1 46
13#define NOTE_G1 49
14#define NOTE_GS1 52
15#define NOTE_A1 55
16#define NOTE_AS1 58
17#define NOTE_B1 62
18#define NOTE_C2 65
19#define NOTE_CS2 69
20#define NOTE_D2 73
21#define NOTE_DS2 78
22#define NOTE_E2 82
23#define NOTE_F2 87
24#define NOTE_FS2 93
25#define NOTE_G2 98
26#define NOTE_GS2 104
27#define NOTE_A2 110
28#define NOTE_AS2 117
29#define NOTE_B2 123
30#define NOTE_C3 131
31#define NOTE_CS3 139
32#define NOTE_D3 147
33#define NOTE_DS3 156
34#define NOTE_E3 165
35#define NOTE_F3 175
36#define NOTE_FS3 185
37#define NOTE_G3 196
38#define NOTE_GS3 208
39#define NOTE_A3 220
40#define NOTE_AS3 233
41#define NOTE_B3 247
42#define NOTE_C4 262
43#define NOTE_CS4 277
44#define NOTE_D4 294
45#define NOTE_DS4 311
46#define NOTE_E4 330
47#define NOTE_F4 349
48#define NOTE_FS4 370
49#define NOTE_G4 392
50#define NOTE_GS4 415
51#define NOTE_A4 440
52#define NOTE_AS4 466
53#define NOTE_B4 494
54#define NOTE_C5 523
55#define NOTE_CS5 554
56#define NOTE_D5 587
57#define NOTE_DS5 622
58#define NOTE_E5 659
59#define NOTE_F5 698
60#define NOTE_FS5 740
61#define NOTE_G5 784
62#define NOTE_GS5 831
63#define NOTE_A5 880
64#define NOTE_AS5 932
65#define NOTE_B5 988
66#define NOTE_C6 1047
67#define NOTE_CS6 1109
68#define NOTE_D6 1175
69#define NOTE_DS6 1245
70#define NOTE_E6 1319
71#define NOTE_F6 1397
72#define NOTE_FS6 1480
73#define NOTE_G6 1568
74#define NOTE_GS6 1661
75#define NOTE_A6 1760
76#define NOTE_AS6 1865
77#define NOTE_B6 1976
78#define NOTE_C7 2093
79#define NOTE_CS7 2217
80#define NOTE_D7 2349
81#define NOTE_DS7 2489
82#define NOTE_E7 2637
83#define NOTE_F7 2794
84#define NOTE_FS7 2960
85#define NOTE_G7 3136
86#define NOTE_GS7 3322
87#define NOTE_A7 3520
88#define NOTE_AS7 3729
89#define NOTE_B7 3951
90#define NOTE_C8 4186
91#define NOTE_CS8 4435
92#define NOTE_D8 4699
93#define NOTE_DS8 4978
这其实只是声音的一个最简单的示例，只利用了Arduino，而没有利用OpenCat框架，事实上，框架中还设计好了多种更加拟声，更为丰富的应用，甚至设计了声音识别的功能，详细请查看 voice.h 和 sound.h
1.7 光传感器
单个光传感器的实例
1#define IR_PIN 4 // Signal Pin of IR receiver to Arduino Digital Pin 4
2#define BUZZER 5
3
4
5//Sensitivity and saturation
6//Threshold and binarization
7//Analog and digital data
8//DigitalRead(): analog pins allow digital read
9//Changes in the environment
10//Patterns: rock scissors cloth
11//Scanning
12
13void setup() {
14 // put your setup code here, to run once:
15 Serial.begin(115200);
16}
17
18void loop() {
19 // put your main code here, to run repeatedly:
20 int reading1 = analogRead(A2);
21 int reading2 = digitalRead(A2);
22 Serial.print(reading1);
23 Serial.print('\t');
24 Serial.print(reading2);
25 Serial.print('\t');
26 // Serial.print(digitalRead(6));
27
28// Serial.print('\t');
29// Serial.print(0);
30// Serial.print('\t');
31// Serial.print(1024);
32// Serial.print('\t');
33// if (reading > 10)
34// Serial.print("1\tbright");
35// else
36// Serial.print("0\tdark");
37
38 Serial.println();
39 delay(2);
40}
两个光传感器的实例，可以实现对光源的左右位置判断
1#define IR_PIN 4 // Signal Pin of IR receiver to Arduino Digital Pin 4
2#define BUZZER 5
3
4//Consistency and shifts
5//Source of error
6//Calibration
7//Comparison
8
9void setup() {
10 // put your setup code here, to run once:
11 Serial.begin(115200);
12 Serial.setTimeout(2);
13}
14
15void loop() {
16 // put your main code here, to run repeatedly:
17
18 Serial.print(analogRead(A2));
19 Serial.print('\t');
20 Serial.print(analogRead(A3));
21
22 Serial.print('\t');
23 Serial.print(0);
24 Serial.print('\t');
25 Serial.print(1024);
26
27 Serial.println();
28 delay(2);
29}
1.8 手势传感器
1/*
2 APDS-9960 - Gesture Sensor
3 https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/arduino_apds9960/
4
5 This example reads gesture data from the on-board APDS-9960 sensor of the
6 Nano 33 BLE Sense and prints any detected gestures to the Serial Monitor.
7
8 Gesture directions are as follows:
9 - UP: from USB connector towards antenna
10 - DOWN: from antenna towards USB connector
11 - LEFT: from analog pins side towards digital pins side
12 - RIGHT: from digital pins side towards analog pins side
13
14 The circuit:
15 - Arduino Nano 33 BLE Sense
16
17 This example code is in the public domain.
18*/
19
20#include <Arduino_APDS9960.h>
21
22void setup() {
23 Serial.begin(115200);
24 while (!Serial);
25
26 if (!APDS.begin()) {
27 Serial.println("Error initializing APDS-9960 sensor!");
28 }
29
30 // for setGestureSensitivity(..) a value between 1 and 100 is required.
31 // Higher values make the gesture recognition more sensitive but less accurate
32 // (a wrong gesture may be detected). Lower values makes the gesture recognition
33 // more accurate but less sensitive (some gestures may be missed).
34 // Default is 80
35 //APDS.setGestureSensitivity(80);
36
37 Serial.println("Detecting gestures ...");
38}
39void loop() {
40 if (APDS.gestureAvailable()) {
41 // a gesture was detected, read and print to Serial Monitor
42 int gesture = APDS.readGesture();
43
44 switch (gesture) {
45 case GESTURE_UP:
46 Serial.println("↑ Detected UP gesture");
47 break;
48
49 case GESTURE_DOWN:
50 Serial.println("↓ Detected DOWN gesture");
51 break;
52
53 case GESTURE_LEFT:
54 Serial.println("← Detected LEFT gesture");
55 break;
56
57 case GESTURE_RIGHT:
58 Serial.println("→ Detected RIGHT gesture");
59 break;
60
61 default:
62 // ignore
63 break;
64 }
65 }
66}
1.9 动作组详解
Bittle的动作数据通过数组的形式储存在文件InstinctBittle.h中，通过cmd＋token的方式来实现调用。接下来让我们来看一下数组中的每个变量的具体含义，示例代码如下：
1const int8_t balance[] PROGMEM = {
21, 0, 0, 1,
3 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30,};
首先是第一个数，此处为1，这个数的主要作用有两个，给出动作执行的帧以及动作执行的种类，Opencat设计了三种动作分类：
行为:这个数为负数的时候表示为一个行为，一般可以包含多帧，负几就是几帧，行为的特点是一般单次调用只被执行一次，就会还原
步态:第一个数为＞1的正数，一个不太可以包含多帧，实际调用时，每次调用都会循环执行这个动作，直到停止
姿势:第一个数为1，只包含一个动作帧
数组中第 2 个元素和第 3 个元素表示身体方向期望值（对应身体的横滚角和俯仰角），单位是度。如果开启了陀螺仪mpu6050，则机器狗会在不稳定的时候，尽可能保持该身体的俯仰角。
这三个是较为常用的改动位置，其余的数据只要了解即可，实际使用的时候，通过桌面程序生成要方便的多。
技能数组中第4个元素表示角度比率。由于数据结构的限制，数字中的每一位的储存空间为-127~127，当需要存储超出 -128 到 127 范围内的角度值时，可以增大角度比率值。比如将角度比率设置为 2，技能数组中所有关节舵机的角度值乘以2才是舵机的实际旋转角度。
之后的一行数据表示了一个帧内，机器狗的相关动作，实际上也就是机器狗各个舵机的角度，具体的角度换算，已经在官方文档中给出，请参阅： https://docs.petoi.com/v/chinese/ying-yong-shi-li/ji-neng-chuang-zuo#duo-ji-xu-hao-ji-qi-jiao-du-zhi-indexed-joint-angles
了解了动作组的数据结构，我们来尝试设计实现一个动作组吧！让机器狗实现一个动作组，主要需要了解以下的问题：
如何设计一个动作组
如何将自己设计的动作组写入程序
如何完成对于动作组的调用
首先是如何实际一个自己想要的动作组，这里推荐的是使用桌面程序导出的方式，这样能够近似于可视化的实现设计，官方文档已经给出了操作方法，请查阅： https://docs.petoi.com/v/chinese/zhuo-mian-ying-yong/ji-neng-chuang-zuo-fang
如何将设计好的动作写入程序，首先需要了解Opencat对于动作的分类，Opencat框架为了节省有限的存储空间，将动作分为两类：本能和技能；I2C EEPROM (8KB) 存储本能，而Flash (与Arduino程序代码分享32KB存储空间) 存储技能。每个技能数组名称加了一个后缀，“N”表示是新技，“I”表示是本能。一个代码的示例如下：
1 const char* skillNameWithType[]={"bdFI","bkI","bkLI","crFI","crLI","mhFI","mhLI","pcFI","phFI","phLI","trFI","trLI","vtFI","vtLI","wkFI","wkLI","balanceI","buttUpI","calibI","droppedI","liftedI","restI","sitI","strI","zeroN","bfI","ckI","climbCeilI","fdI","hiI","jyI","pdI","peeI","puI","rcI","rtI","stpI","testServoI",};
2#if !defined(MAIN_SKETCH) || !defined(I2C_EEPROM)
3 //if it's not the main sketch to save data or there's no external EEPROM,
4 //the list should always contain all information.
5 const int8_t* progmemPointer[] = {bdF, bk, bkL, crF, crL, mhF, mhL, pcF, phF, phL, trF, trL, vtF, vtL, wkF, wkL, balance, buttUp, calib, dropped, lifted, rest, sit, str, zero, bf, ck, climbCeil, fd, hi, jy, pd, pee, pu, rc, rt, stp, testServo, };
6#else //only need to know the pointers to newbilities, because the intuitions have been saved onto external EEPROM,
7 //while the newbilities on progmem are assigned to new addresses
8 const int8_t* progmemPointer[] = {zero, };
skillNameWithType 中，储存了所有补全后缀的动作的名称，添加新动作的时候，请根据种类将其添加到该列表中；下面的 #if 中的语句主要用于上传配置程序时读取， else 中的语句则用于上传主程序的时候重新读取对应的动作组。这个比喻是很形象的，就像本能是先天就会(配置在主板EEPROM上，掉电不会消失)的，而新技能是要重新学习的，可以改变的(存储在Flash中，每次烧写主程序的时候都会改变)本能和技能的区别体现在程序上是，在完成主板配置之后，只烧录主程序，则职能修改其技能，而对于本能的修改不会生效。
那么如何将一个动作添加到程序中呢？首先进行程序代码的修改，先把代表对应动作组的数组复制到 InstinctBittle.h 中，如果想添加一个技能，就要在上述的三个列表中，都增加对应的一项；如果想要添加一个本能，则需要在前两个项目中添加对应的项。之后需要进行配置文件的烧写，注意：不是主程序文件，烧写方法参考 配置方法 之后在进行主程序代码的烧写即可。
如果想对现有的动作进行修改，且修改的是技能，则直接在 InstinctBittle.h 中进行修改后重新烧写主程序即可，若是对本能进行修改，则需要进行配置文件的烧写。
最后，如何控制其做出相关动作呢？Petoi采用的是token和cmd的方式，想要更具体的了解请查看 token+cmd 这里只提供一个简单的示例，假如我想调用已经写好的 zero 动作组，这只需要使用以下段的代码：
1strcpy(newCmd, "zero");
2token = T_SKILL;
另外一种方式是直接通过串口通讯来发出指令，这种方式在多个设备间的通讯以及远程烧录调试的时候显得尤其方便。同时他是的我们能够把一些繁复的计算通过其他外设的主板(例如openmv)中来进行，只需要对机器狗发出命令就可以了。他的实质与token+cmd的方法是一样的，只是定义了一套串口通信协议，关于这套串口协议的说明， 官方文档 给出了详细的说明。