Rocky Rover：基于 Arduino 101 与 PixyCam 的视觉追踪智能小车

项目概览

本项目基于 Intel Arduino 101（内置 BLE 与 IMU）搭载 PixyCam (CMUcam5) 视觉传感器，构建一台能识别颜色物体并自主跟随的履带式机器人。通过 Blynk App 实现手机遥控与视觉模式切换，展示嵌入式视觉、电机控制、蓝牙通信的综合集成。

核心硬件清单

软件工具链

• Arduino IDE 1.8.19+（支持 Arduino 101 核心）
• Blynk App (iOS/Android) + Blynk Library
• PixyMon 配置工具（教色块、调参数）
• Pixy Arduino Library (SPI 通信)

关键技术点解析

1. PixyCam 视觉工作流

PixyCam 通过色度空间（HSV）阈值分割识别颜色签名（最多 7 个），输出检测到的色块信息：

• signature：签名 ID (1-7)
• x, y：色块中心坐标 (0-319, 0-199)
• width, height：色块尺寸
• getBlocks() 返回检测到的色块数量

教学过程：按住 Pixy 顶部按钮 → 对准目标物体 → 释放 → LED 闪烁确认 → 在 PixyMon 中微调 HSV 范围。

2. Pan/Tilt 云台 PID 跟随

利用色块中心偏差驱动舵机，保持目标居中：

// 云台 PID 控制核心逻辑
int32_t panError = X_CENTER - pixy.blocks[0].x;   // X_CENTER = 160
int32_t tiltError = pixy.blocks[0].y - Y_CENTER;  // Y_CENTER = 100

panLoop.update(panError);   // PID 计算输出位置
tiltLoop.update(tiltError);
pixy.setServos(panLoop.m_pos, tiltLoop.m_pos); // 直接驱动 Pixy 内置舵机控制器

3. 底盘运动控制策略

根据色块面积（距离代理）与水平偏差计算差速转向：

// 面积越大 = 物体越近 -> 减速/后退
long size = blocks[trackedBlock].width * blocks[trackedBlock].height;
int forwardSpeed = constrain(400 - (size / 256), -100, 400);

// 水平偏差 -> 差速转向
int32_t followError = RCS_CENTER_POS - panLoop.m_pos;
int32_t differential = (followError + (followError * forwardSpeed)) >> 8;

int leftSpeed  = constrain(forwardSpeed + differential, -400, 400);
int rightSpeed = constrain(forwardSpeed - differential, -400, 400);

motor1->setSpeed(leftSpeed);  motor3->setSpeed(leftSpeed);  // 左侧双电机
motor2->setSpeed(rightSpeed); motor4->setSpeed(rightSpeed); // 右侧双电机

4. BLE 遥控与模式切换

Blynk Virtual Pins 映射：

• V0: 摇杆 X/Y → 手动模式差速控制
• V1: 按钮 → 切换 手动/视觉跟随 模式
• V2: 滑块 → 设置最大速度限幅

视觉模式下，Pixy 数据优先；遮挡镜头（或无目标）自动停车。

完整固件架构

// 关键库
#include <SPI.h> #include <Pixy.h> #include <Wire.h> 
#include <Adafruit_MotorShield.h> #include <BlynkSimpleCurieBLE.h> #include <CurieBLE.h>

// 全局对象
Pixy pixy;
Adafruit_MotorShield AFMS = Adafruit_MotorShield();
Adafruit_DCMotor *motor[4];
BLEPeripheral blePeripheral;

// PID 控制器（简化版）
struct PID { float kp, ki, kd; int32_t integral, prevError; int32_t m_pos; 
  void update(int32_t error) { 
    integral += error; 
    int32_t deriv = error - prevError; 
    m_pos += (kp*error + ki*integral + kd*deriv) >> 8; 
    prevError = error; 
  } 
} panLoop = {200, 0, 50}, tiltLoop = {200, 0, 50};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pixy.init(); AFMS.begin();
  for(int i=0;i<4;i++) motor[i] = AFMS.getMotor(i+1);
  
  // BLE 初始化
  blePeripheral.setLocalName("RockyRover");
  blePeripheral.setDeviceName("RockyRover");
  blePeripheral.setAppearance(0x0080);
  Blynk.begin(blePeripheral, authToken);
}

void loop() {
  Blynk.run(); // 处理 BLE 事件
  
  if (visionMode) { // 视觉跟随模式
    uint16_t blocks = pixy.getBlocks();
    if (blocks) {
      // 选取最大色块作为目标
      int tracked = 0; long maxSize = 0;
      for (int j=0; j maxSize) { maxSize = sz; tracked = j; }
      }
      // 云台 PID
      int32_t panErr = 160 - pixy.blocks[tracked].x;
      int32_t tiltErr = pixy.blocks[tracked].y - 100;
      panLoop.update(panErr); tiltLoop.update(tiltErr);
      pixy.setServos(panLoop.m_pos, tiltLoop.m_pos);
      
      // 底盘运动控制（同上面策略）
      // ...
    } else {
      stopAllMotors(); // 丢失目标停车
    }
  }
  // 手动模式由 Blynk 回调直接控制电机
}

组装要点

1. 底盘组装按 Dagu 说明书，电机接线对应 Motor Shield M1-M4
2. 电池盒前移，腾出空间安装 Pan/Tilt 云台（云台舵机线接 Pixy 专用接口）
3. PixyCam 通过 ICSP 排针 SPI 连接 Arduino 101（需飞线：SCK→13, MISO→12, MOSI→11, SS→10）
4. Motor Shield 供电：VM 接电池盒（6×AA ≈ 9V），VIN 接 Arduino 101 VIN（共地）
5. 整理走线，热缩管绝缘，扎带固定防震动脱落

测试与调试

1. 先跑 Motor Shield 例程验证四轮正反转
2. 跑 Pixy "hello_world" 例程确认 SPI 通信、色块检测
3. 用 PixyMon 教红色/橙色南瓜（或任意高对比度物体）
4. 调云台 PID 参数（kp/ki/kd）消除振荡
5. 调底盘跟随参数（面积-速度映射、差速增益）
6. 配对 Blynk，实测室内地毯/地板跟随效果

项目资源

• GitHub 代码仓库：Rocky Rover 固件
• PixyCam 官方 Wiki：文档与 API
• Blynk 文档：BLE 接入指南

后续迭代方向 (Mark 2)

• 升级 ESP32-CAM 或 OpenMV H7，实现边缘 AI 目标检测（不限颜色）
• 引入 SLAM（激光雷达/视觉里程计）实现自主导航
• 加装机械臂，完成“看-走-抓”闭环任务
• ROS 2 微控制器移植，标准化消息接口