Powertech-IOT

PowerTech 青少年科技創作競賽

官方網站: http://isteam.ccda.org.tw/Client/Home

2022

高二參加

自走車的程式碼

右邊為自走車

2024

當助教 (協助學弟妹)

跟隨車 (follow_car)

夾罐車 (claw_car)

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📁 專案資料夾結構

Powertech-IOT/
├── README.md
├── image/                          # 圖片資源
│   ├── 2022image.png               # 2022 自走車照片
│   ├── 2024image.png               # 2024 相關照片
│   ├── claw_car.png                # 夾罐車照片
│   └── follow_car.png              # 跟隨車照片
│
├── 2022/                           # 2022 年參賽作品
│   └── main.c                      # 自走車主程式（Arduino C）
│
└── 2024/                           # 2024 年擔任助教期間的程式碼
    ├── claw_car/                   # 夾罐車（機械手臂車）主程式
    │   ├── claw_car.ino            # 主程式入口
    │   ├── const.h                 # 常數與腳位定義
    │   ├── Motor.h / Motor.cpp     # 馬達控制類別
    │   ├── JsonService.h / .cpp    # 藍芽 JSON 通訊服務
    │   ├── Buzzer.h                # 蜂鳴器工具函式
    │   ├── HCPCA9685/              # PCA9685 伺服馬達擴展板函式庫
    │   ├── HCPCA9685.zip           # 函式庫壓縮包
    │   └── doc/                    # 相關文件
    │       ├── readme.md           # HC-06 藍芽模組 AT 指令說明
    │       ├── PCA9685_Servo.docx  # PCA9685 伺服馬達使用說明
    │       ├── arduino_IIC.jpg     # I2C 接線圖
    │       ├── hc-06_AT_commands.png
    │       ├── servo問題.txt
    │       └── 設定HC05.jpg
    │
    └── 範例程式/                   # 教學用範例程式集
        ├── HCSR04/                 # HC-SR04 超音波測距範例
        │   ├── HCSR04.ino
        │   ├── const.h
        │   ├── ultra_sonic.h / .cpp
        ├── HCSR04_0/               # 超音波測距簡易範例
        │   └── HCSR04_0.ino
        ├── ky010_interrupt/        # KY-010 光遮斷器中斷計數範例
        │   └── ky010_interrupt.ino
        ├── monitor_example/        # 感測器數據即時監控範例
        │   ├── monitor_example.ino
        │   ├── SensorService.h / .cpp
        │   ├── const.h
        │   ├── monitor.jpg
        │   └── readme.md
        ├── 前車/                   # 前車（App 遙控端）相關程式
        │   ├── controller2_debug/          # 除錯版本（無藍芽）
        │   ├── controller2_debug_bluetooth/ # 藍芽除錯版本
        │   └── controller2_pca9685/        # 含 PCA9685 伺服馬達版本
        └── 後車/                   # 後車（自動跟隨端）相關程式
            ├── follow_car/         # 跟隨車完整程式
            ├── motor_test/         # 馬達模組測試程式
            ├── rc_car_example/     # 藍芽遙控車範例
            └── sonic_monitor/      # 超音波搭配監控範例

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📄 各程式功能說明

2022 — 自走車 (2022/main.c)

自走車利用 4 組紅外線循跡感測器（L2、L1、R1、R2）與 1 組超音波測距模組（HC-SR04）來達成自動循線與避障。

感測器配置

變數	腳位（Analog）	說明
L2	A0	左外側循跡感測器
L1	A1	左內側循跡感測器
R1	A2	右內側循跡感測器
R2	A3	右外側循跡感測器
超音波	Trig=12 / Echo=13	前方障礙物偵測

感測邏輯：讀值 ≥ 850 為白色（0），< 850 為黑色（1）

主要函式

函式	說明
judge()	主判斷邏輯，根據感測器讀值決定動作
US()	超音波避障，距離小於 18cm 時停車
gs()	直走
sl()	小左轉（左輪減速）
ml()	中左轉（左輪停止）
bl()	大左轉（左輪反轉）
sr()	小右轉（右輪減速）
mr()	中右轉（右輪停止）
br()	大右轉（右輪反轉）
stop()	停車（含短暫煞車動作）
L1_R1()	舊版單感測器判斷（已被 judge() 取代）
L2_R2()	舊版外側感測器判斷（已被 judge() 取代）

循線邏輯說明

程式設有 bool_overL / bool_overR 旗標，記憶車子是否偏出軌道邊界，以便在全白（四感測器皆為白）時仍能以正確方向大角度修正回軌。

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2024 — 夾罐車 (2024/claw_car/)

夾罐車為機械手臂結合移動底盤的車輛，透過 HC-05/HC-06 藍芽模組 接收來自 App 的 JSON 指令，控制 4 個伺服馬達（機械手臂）及 2 個直流馬達（車輪）。

硬體平台

• 微控制器：Arduino Mega 2560
• 伺服馬達擴展：PCA9685（I2C，16 路 PWM）
• 藍芽模組：HC-05（RX=Pin 50, TX=Pin 51）
• 蜂鳴器：Pin 13

腳位定義（const.h）

常數	腳位	說明
MR_F	8	右馬達前進 PWM
MR_B	7	右馬達後退 PWM
ML_F	5	左馬達前進 PWM
ML_B	6	左馬達後退 PWM
PIN_SERVO_1~4	0~3	PCA9685 伺服馬達通道
BUZZER	13	蜂鳴器
BT_BAUD_RATE	9600	藍芽鮑率

伺服馬達預設角度

伺服	初始角度	說明
servo1	90°	手臂旋轉
servo2	60°	手臂大臂
servo3	60°	手臂小臂
servo4	120°	夾爪

App 通訊協定（JSON over Bluetooth）

{"version": 2, "type": "<TYPE>", "data": {...}}

Type 前綴	說明
M	預設動作（伺服馬達移動到預設角度）
S0	自訂伺服馬達角度控制
S1	attach / detach 伺服馬達
C1	虛擬搖桿控制（x1, y1）
C2	左右馬達獨立控制（ml, mr）
R	回應訊息

主要模組

Motor.cpp / Motor.h

馬達驅動類別，提供兩種驅動方式：

• drive(float x, float y)：搖桿輸入（-1.0 ~ 1.0），依 y/x 比例自動計算左右輪差速，最大速度 250 PWM。
• drive2(float mL, float mR)：直接給定左右輪速度比例（-1.0 ~ 1.0）。

JsonService.cpp / JsonService.h

藍芽 JSON 通訊服務，核心功能：

• listen(callback)：持續讀取藍芽接收緩衝區，偵測以 { 開頭、\n 結尾的 JSON 字串，解析後觸發 callback。
• send_data(type, data_json)：封裝並傳送 JSON 訊息至藍芽。
• success_response()：傳送成功回應 R1。
• error_response(reason)：傳送失敗回應 R0。

Buzzer.h

蜂鳴器工具，提供 _beep(int times) 函式，讓蜂鳴器響指定次數（每次 100ms，間隔 200ms）。

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2024 — 範例程式集 (2024/範例程式/)

HC-SR04 超音波測距 (HCSR04/, HCSR04_0/)

示範如何使用 ultra_sonic 封裝類別讀取前方與左側超音波感測器數值，並透過 Serial 輸出偵錯。

KY-010 光遮斷器中斷計數 (ky010_interrupt/)

使用 attachInterrupt 接收 KY-010 光遮斷感測器的脈衝中斷，統計馬達轉速脈衝數，可用於計算車輪轉速。

感測器監控範例 (monitor_example/)

透過 SensorService 模組，定時（每 100ms）將模擬感測器數據以 JSON 格式傳送至藍芽監控 App（sin/cos 波形模擬），搭配 Arduino Serial Plotter 或自製 App 即時繪圖。

前車系列（App 遙控端）

資料夾	功能
controller2_debug/	不含藍芽的本地除錯版，使用序列埠輸出除錯訊息，控制伺服馬達與車輪
controller2_debug_bluetooth/	含藍芽的除錯版，透過 HC-05 接收 App 指令
controller2_pca9685/	正式版，使用 PCA9685 控制多路伺服馬達（同 claw_car 架構）

後車系列（自動跟隨端）

資料夾	功能
follow_car/	完整跟隨車程式：超音波測距保持與前車距離、KY-010 光遮斷器輔助直線修正（PID 控制）、SensorService 藍芽監控
motor_test/	L9110s 馬達驅動模組測試，以陣列循環測試不同速度（低速/高速/正轉/反轉）
rc_car_example/	藍芽遙控車最簡範例，透過 App JSON 指令控制車輪（搖桿 C1 或按鈕 C2 模式）
sonic_monitor/	超音波搭配 SensorService 監控，定時讀取三組超音波並透過藍芽傳回數據

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跟隨車（follow_car/）詳細說明

超音波配置（const.h）

方向	Trig	Echo	用途
前方	Pin 4	Pin 7	偵測前車距離（目標保持 120mm）
左前	Pin 12	Pin 13	偵測左側牆壁（目標保持 40mm）
左後	Pin 15	Pin 14	配合左前計算車身偏角

PID 控制器

方向	Kp	Ki	Kd	說明
縱向（前後）	3	0.05	1	維持與前車距離
橫向 KY010	3	0.01	0.5	光遮斷器計數差值，保持直線
橫向超音波	3	0.1	1	超音波測距差值，靠牆修正
橫向陀螺儀	0.1	0.02	0.05	GY-521 保持直線（備用）

控制流程

每 100ms 執行一次 readSensors():
  1. 讀取三組超音波距離
  2. 計算縱向速度 (calc_speed) → PID 調整前後速度
  3. 讀取 KY-010 左右計數差
  4. 判斷是否偵測到牆壁 (in_wall):
     - 有牆壁 → 超音波橫向 PID 修正左右輪差速 (driveUS)
     - 無牆壁 → KY-010 PID 修正左右輪差速 (drive)
  5. 透過 SensorService 將數據傳送至監控 App

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🔧 使用函式庫

函式庫	用途
ArduinoJson	JSON 解析與產生
ServoEasing	伺服馬達平滑動作（含 PCA9685 支援）
SoftwareSerial	軟體序列埠（藍芽通訊）
ButtonDebounce	按鈕去彈跳
AsyncTimer	非同步定時器
Ultrasonic	超音波測距（2022 版）
Wire	I2C 通訊（PCA9685）

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🔌 硬體清單

元件	型號	用途
微控制器	Arduino Mega 2560	2024 主控板
微控制器	Arduino（相容板）	2022 自走車
藍芽模組	HC-05 / HC-06	無線通訊
超音波模組	HC-SR04	距離感測
伺服馬達擴展板	PCA9685	多路 PWM 伺服控制（I2C）
馬達驅動模組	L9110s	直流馬達驅動
光遮斷感測器	KY-010	馬達轉速偵測
蜂鳴器	被動式蜂鳴器	狀態提示音
按鈕	一般按鈕	啟動 / 偵錯用