學習目標 : 利用faya電子積塊組出具有動力指針的的指北羅盤
學習時間 : 240min
使用模組 : (1) faya brickNano
(2) faya 步進馬達模組
(3) faya 電子羅盤模組
(4) faya 光感應模組
工具 : 樂高積木(相容)
一字螺絲起子
====================相關知識====================
這篇文章中所用到的模組使用方式及相關知識整理如下，需進一步了解時可點進去參考:
模組介紹 : faya brickNano
模組介紹 : faya 步進馬達模組
模組介紹 : faya 電子羅盤模組
模組介紹 : faya 光感應模組
======================開箱======================
動力羅盤(型號NTG-507)是fayalab的第七款創意組合作品，此作品的目標是利用現有的faya模組，配合Arduino程式，組出一個能夠自我校正功能的指北羅盤，當作品通上電源後，羅盤上的步進馬達會帶動指針自動校正位置，之後馬達上的指針會持續指向北方。
盒內包含了製作動力羅盤所需的全部模組及附件:
1.faya brickNano 2.步進馬達模組 3.電子羅盤模組 4.光感應模組
5.積木柱子 6. 積木蓋子 7. 電源線(B) 8. micro USB傳輸線
9. 跳線組 10. 積木組 11. 積木底板
===================範例實作=====================
目標:
(1) 利用faya電子積塊，製作出指北針功能的羅盤
(2) 透過光感應器模組校正步進馬達位置
(3) 透過電子羅盤模組定位方向
(4) 透過步進馬達帶動指針指向北方
組裝:
首先把 [1.faya brickNano]、[2.步進馬達模組]、[3.電子羅盤模組]、[4.光感應模組]的四個角落裝上[5.積木柱子]。
積木柱子的組裝過程可參考[功能介紹 : faya電子積塊與LEGO積木的結合]
接著把 [1.faya brickNano]、[2.步進馬達模組]、[4.光感應模組]的四個積木柱子上方，裝上[6. 積木蓋子]，注意[3.電子羅盤模組]不需要裝積木蓋子。
積木蓋子的組裝過程可參考[小技巧 : 積木柱子太鬆時如何處理?]
最後在[2.步進馬達模組]的軸上，裝上一個[5.積木柱子]。
接下來示範線路的連接和積木的組裝，因為這次的作品牽涉到馬達定位的問題，模組位置須配合程式，因此大家可以按照底下的範例跟著做一次，熟悉系統運作的方式後，再按照自己的喜好修改造型。如果照著我們的範例，組完後會長這個樣子:
首先將[10. 積木包] 裡面的積木，利用1x1，1x2，1x4在6x8的平板上組出東南西北的四個英文簡寫，[E] [S] [W] [N]
東- East [E]
南 - South [S]
西 - West [W]
北 - North [N]
接著我們要組馬達上的指針，步驟如下
(1) 將兩個2x10平板以一格之差相疊
(2) 在尾巴的地方裝上一個2x6的平板
(3) 在2x6平板上裝上兩個1x4的積木，使其有尾翼的感覺
接下來拿出16x16的底板，在以下的位置，安裝2x6的平板和2x2的一般積木
完成後如下圖所示
接著在2x2積木上跨上2x6平板，每邊各兩層，如下所示
再來我們將剛剛組成的東南西北四個字，併到底版的四周如下所示
接著在以下用圓點標註的地方安裝相關模組:
(1) 紫色圓點為brickNano的位置
(2) 綠色圓點為步進馬達模組的位置
(3) 黃色圓點為 電子羅盤模組的位置
安裝方向請參考底下第二張圖，注意到光感測器模組還不需要安裝
從另一個角度看模組安裝的位置
連接訊號與電源線
首先連接訊號線，請利用[9.跳線組]完成Arduino和模組之間的訊號連接
步進馬達模組:
Arduino_D2 ===> 步進馬達模組_A
Arduino_D3 ===> 步進馬達模組_B
Arduino_D4 ===> 步進馬達模組_/A
Arduino_D5 ===> 步進馬達模組_/B
注意我們把訊號線繞到模組下方保持美觀
Arduino_A4 ===> 電子羅盤模組_SDA
Arduino_A5 ===> 電子羅盤模組_SCL
接著連接電源線，請利用[7.電源線(B)]連結模組間的電源座，連接的詳細說明可參考這篇文章 或簡易版。
首先連接brickNano和步進馬達間的電源線
接著我們先安裝光感應模組，利用四個模組的柱子將它直接疊在電子羅盤模組上方，請特別注意其方向。
完成後利用電源線把電源從步進馬達連到光感應模組
再把電源從光感應模組連到下方的電子羅盤模組，完成電源線的連接。
最後連接光感應模組的訊號線
Arduino_A0 ===> 光感應模組_Vout 
安裝指針:
拿出剛開始製作好的指針，翻到背面，記住下圖箭頭所指的第二個孔位位置
將此孔位扣在步進馬達模組上的積木柱子上，完成後如下圖所示，完成硬體的組裝部分。
校正指針位置:
本段介紹如何透過光感應模組與步進馬達模組進行位置校正，首先複習一下我們在[模組介紹 : faya 電子羅盤模組]介紹到:電子羅盤模組上的標示，Y字樣的方向代表晶片方位的南方(S)，X字樣的方向代表晶片方位的西方(W)，因此-X的方向為晶片方位的東方(E)，-Y的方向為晶片方位北方(N)。
在文章中我們提到透過.heading()指令，能夠利用I2C介面輸出[晶片北方]與[磁北方]的夾角，因此如果輸出顯示23度，代表-Y和磁北方相差23度 (順時)，如果顯示0度，代表現在-Y正指著磁北方。
如果我們能讓步進馬達指針在開機後自動跑到-Y的位置，透過電子羅盤模組的輸出得到和磁北方的角度差，我們就可以反推回去，把指針指向磁北方。
因此我們必須思考如何讓步進馬達的指針開機後能自動指到-Y的方向，答案就是透過一個光感應模組，解釋如下:
首先注意到電子羅盤模組的安裝方向如下圖所示，對於羅盤指針而言，如果指向圖中的右方三點鐘方向，代表指針指向[晶片南方]，如果羅盤指針指向九點鐘方向，代表指針指向[晶片北方位]。
由於每個環境的光源強度不同，因此我們必須先校正光感應模組的敏感度，讓程式容易判斷。底下範例程式我們一邊讓馬達順時針旋轉到光感應模組的位置，一邊讀取光感應模組的類比數值，並顯示在串列埠監控視窗。
光感應模組的介紹請參考 [模組介紹 : faya光感應模組]
校正指針位置範例程式:
備註:
- 光感應模組的程式控制原理，請參考 [模組介紹 : faya 光感應模組]
- 步進馬達模組的程式控制原理，請參考[模組介紹 : faya 步進馬達模組]
- L40~43 : 開機後指針會順時針旋轉，當指針遮到光感應模組時，類比數值會低淤550 (可根據環境修改此數值)，此時指針不再移動，停在光感應模組上方，也就是指向晶片南方。
- L45: 馬達順時轉一圈需要2048步，因此逆時轉半圈需要-1024步
校正步驟 :
(1) 開啟串列埠監測視窗，利用一字起子調整可變電阻，改變輸出類比數值 CDS Value
(2) 當光感應模組還未被指針遮住時，CDS Value 大約介於800~850
(3) 當光感應模組被指針遮住時，CDS Value 需低於550門檻值
以上是針對筆者的環境進行的調整，由於每個環境的光線強度不同，因此CDS Value也會不同，大家可以自行斟酌調整第43行的550門檻值，並搭配調整可變電阻，最終目的是要讓指針旋轉到光感應模組時，自動停下來即可。
校正結果:
主範例程式:
底下為動力羅盤的程式，如果沒有先經過之前的校對過程，直接執行底下的程式也可以，此時由於沒有光感應數值顯示於串列監控視窗，因此必須靠感覺調整光感應模組的可變電阻，直到步進馬達指針第一次順時針旋轉時，會自動停在光感應模組上方。
備註:
- 程式主要由三部份組成，L46、L47、L56，其中L46和L47只需要執行一次，因此放在Setup()區域，L56必須重複執行，因此放在Loop()迴圈。
- L46 motorCalibration() : 校正指針，使其指向晶片北方，這部份我們在上一段解釋過了
- L47 motorToNorth () : 讓指針由晶片北方轉到磁北方
- L56 traceNorth() : 讓指針持續指向磁北方
- L71~90: motorToNorth副程式，由於我們已經先執行了motorCalibration()副程式，讓指針指向晶片北方，這段副程式能夠讓指針由晶片北方經過最小角度(最短路徑)轉到磁北方。
-L74、L80: 我們將磁北方與晶片北方的夾角我們儲存在heading_new變數內，由於此夾角是以磁北方為起點，順時針方向計算與晶片北方之間的夾角度，因此為了達到最短路徑旋轉到磁北方，我們設了大於和小於180度的判斷
-L74~L79: 下圖中N代表磁北位置，如果 heading_new大於180度，指針只要繼續順時針旋轉 (360-heading_new)的角度即可指向磁北方，也就是下圖中的綠色路線 (最短路徑)。
-L77~78: 步進馬達走一圈(360度)需要2048步，因此我們可以用map()函式算出(360-heading_new)角度所要走的步數，又由於是順時針旋轉，因此78行裡面的步數是正的。步進馬達的原理可以參照 [模組介紹 : faya步進馬達模組]
-L80~85: 下圖中N代表磁北位置，如果heading_new小於180度，指針只要逆時針旋轉heading_new的角度即可指向磁北方，也就是下圖中的藍色路線 (最短路徑)。
-L83~84: 步進馬達走一圈(360度)需要2048步，因此我們可以用map()函式算出(heading_new)角度所要走的步數，又由於是逆時針旋轉，因此84行裡面的步數是負的。步進馬達的原理可以參照 [模組介紹 : faya步進馬達模組]
- 截至目前都在解釋馬達指針在setup()區域所完成的兩個動作 (1) 指針校正，使其自動指向晶片北方，(2) 指針指向磁北方。接下來，我們在loop()迴路中，要處理當偵測到羅盤有任何移動或轉動的時候，Arduino會根據轉動的角度，馬上修正使指針依然指向磁北方，這段功能寫在traceNorth()副程式中。
- L102: heading_new是紀錄最新的方位，heading_old是上一筆的方位，當羅盤都沒有移動或轉動時，heading_new = heading_old，但是當轉動時，兩者差距會改變，此時程式進入迴圈，讓馬達轉動修正方為使指針轉回磁北方。使用絕對值函數abs()可以一次偵測到順逆方向的旋轉變化:
- 當順時針旋轉羅盤時，heading_new 會大於 heading_old
- 當逆時針旋轉羅盤時，heading_new 會小於 heading_old
-L104、L124: 跑完setup()裡的指針的 motorToNorth () 後，指針會指著磁北方，並把最後的晶片位置儲存到headling_old變數裡。當我們轉動羅盤時，馬達指針會被羅盤帶動，瞬間偏離磁北，為了讓馬達能夠用最短的距離轉回到磁北 (順時針或逆時針)，我們必須先知道晶片最後位置在那一個方位。 下圖中N是磁北方，也就是馬達指針指的方位， 當我們旋轉羅盤時，會有以下四種狀況產生
- 順時針旋轉羅盤，指針瞬間停在I/II象限(轉180度內)，我們讓馬達逆時針轉回磁北即為最短距離
- 順時針旋轉羅盤，但是轉的速度很快，指針瞬間停在III/IV象限(轉超過180度)，此時讓馬達繼續順時針轉回磁北即為最短距離
- 逆時針旋轉羅盤，指針瞬間停在IV、III象限(轉180度內)，此時我們讓馬達順時針轉回磁北即為最短距離
- 逆時針旋轉羅盤，但是轉的速度很快，指針瞬間停在II/I象限(轉超過180度)，此時讓馬達繼續逆時針轉回磁北即為最短距離。
為了處理以上四種狀況，必須先了解最後晶片北方的位置(heading_old)，再進行分類處理，個別解釋如下
-L104、L106~L111 : 當最後位置heading_old落在第I,II象限(L104)，且羅盤旋轉角度小於180度時，這時候heading_new會落於下圖藍色線條區域 (L106)，此時只需要讓步進馬達逆轉heading_new和heading_old角度差(L108)，即可讓指針以最短距離回到磁北(L109~L110)。
如果是落於褐色區域(L114)，只需讓步進馬達繼續順時針轉回heading_old位置，也就是 (360-heading_new)+heading_old (L115)，即可讓指針以最短距離回到磁北(L119~L120)。
如果是落於褐色區域(L116)，只需讓步進馬達繼續順時針轉回heading_old位置，也就是heading_old-heading_new (L117)，即可讓指針以最短距離回到磁北(L119~L120)。
如果是落於粉紅色區域(L128)，只需讓步進馬達逆時針轉回heading_old位置，也就是 heading_new-heading_old (L129)，即可讓指針以最短距離回到磁北(L133~L134)。
如果是落於橘色區域(L130)，只需讓步進馬達逆時針轉回heading_old位置，也就是(360-heading_old)+heading_new (L131)，即可讓指針以最短距離回到磁北(L133~L134)。
-L124、L136~L141 : 當最後位置heading_old落在第III,IV象限(L124)，且羅盤旋轉角度大於180度時，這時候heading_new會落於下圖紫色線條區域 (L136)，此時只需讓步進馬達繼續順時針轉回heading_old位置，也就是heading_old-heading_new(L138)，即可讓指針以最短距離回到磁北(L139~L140)。
結果演示:
影片解釋:
5秒處 : 馬達指針遮到光感應模組，代表指針指向晶片南方，步進馬達停止前進
8秒處 : 馬達逆時針全轉180度，讓指針指向晶片北方
12秒處 : 馬達指針指向磁北方
14秒處 : 手機裡的電子羅盤app顯示的磁北方向和馬達指針所指的方向一致
16秒處 : 傳統的指北針指的北方也和馬達指針所指的方向一致
17~29秒處 : 無論順時或逆時旋轉羅盤，三個裝置的指針方向皆一致，維持指向磁北方
31~34秒處 : 校正手機方位，讓指北針指向外圍文字的北方
35~39秒處 : 校正羅盤方位，讓羅盤指針指向積木的N
43~44秒處 : 校正傳統指北針，讓指針指向外圍文字的N
48~53秒處 : 三個裝置的南方(S)皆一致
54~1:00處 : 三個裝置的東方(E)皆一致
討論:
以下是我們開發此創意組合時得到的經驗，大家可以參考參考
- 當馬達指針順時針往光感應模組轉動時，由於光源強度與角度的不同，有可能會提早遮到光感應模組，造成馬達指針沒有真正只到晶片南方，遇到此現象，大家可以在程式L63-64之間插入一行 fayaStepper.step(20); ，讓步進馬達多走幾步，使其完全的指向晶片南方位置。
- 此羅盤最終指向的方位是北方，如果想要做指南針，則將程式65、66行刪除，讓一開始校準的方位指向晶片南方即可。
- 和傳統羅盤一樣，如果周邊有磁力裝置，例如手機或喇叭，會影響到羅盤感應磁北的方位，降低感應準確性。
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