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目標
做出一台可以遙控的機械手臂車，遙控器與車輛間採用類 Wi-Fi 通訊（ESP-NOW），方便後續接入網路成為 AIoT 設備。
成員
411214306 林致宇
411214307 胡朝凱
材料
材料
車輛與機械臂
1*ESP32
5*伺服馬達 (機械臂)
1*伺服馬達 (車輛轉向)
1*馬達
2*OLED 顯示器
遙控器
1*ESP32
2*雙軸搖桿
6*開關與按鈕
1*可變電組
1*OLED 顯示器
3D 建模與列印
3D 建模與列印
Shapr3D 建模
Shapr3D 建模
測量各物件的實際尺寸，使用 Shapr3D 進行所需要的建模。
3D 列印
3D 列印
將建模好的檔案傳入切片軟體，切片完成後傳輸至 3D 列印機以 PLA 材料進行 3D 列印。
問題與解決方案
問題與解決方案
開發框架
開發框架
專案程式碼較多，使用 ArduinoIDE 開發不便，所以採用 PlatformIO 作為開發框架。
開發板損壞
開發板損壞
車上的 ESP32 開發板在某次的程式上傳後就突然不會動了，有連上電腦但又無法上傳。Bootloader 刷不進去，ESP32 模組變很燙，推測 ESP32 壞了。
需要一片新的開發板以解決此問題。
程式碼
程式碼
platformio.ini
platformio.ini
[platformio]
default_envs = vehicle_node32s ; 預設編譯環境 (可改)
; --- 共用設定 (Common Settings) ---
[env]
platform = espressif32
framework = arduino
monitor_speed = 115200
build_flags =
-I include ; 確保編譯器找得到 common.h
; --- 環境 1: 車輛端 (Vehicle) ---
[env:vehicle_node32s]
board = nodemcu-32s
; 關鍵指令：只編譯 src/Vehicle 下的檔案，排除 Remote
src_filter = +<Vehicle/> -<Remote/>
lib_deps =
madhephaestus/ESP32Servo @ ^1.1.0
fastled/FastLED @ ^3.6.0
; --- 環境 2: 遙控器端 (Remote) ---
[env:remote_lolin32]
board = lolin32_lite
; 關鍵指令：只編譯 src/Remote 下的檔案，排除 Vehicle
src_filter = +<Remote/> -<Vehicle/>
lib_deps =
adafruit/Adafruit SSD1306 @ ^2.5.9
adafruit/Adafruit GFX Library @ ^1.11.9
adafruit/Adafruit BusIO @ ^1.15.0
common.h
common.h
// 檔案名稱: common.h
#ifndef COMMON_H
#define COMMON_H
#include <Arduino.h>
// 燈光狀態位元定義
#define LIGHT_LEFT 0x01
#define LIGHT_RIGHT 0x02
#define LIGHT_HAZARD 0x04
#define LIGHT_HEAD 0x08
#define LIGHT_RESERVED 0x10
// 遙控器 -> 車輛 (控制指令)
typedef struct {
int16_t lx; // 左搖桿 X (-512 ~ 512)
int16_t ly; // 左搖桿 Y
int16_t rx; // 右搖桿 X
int16_t ry; // 右搖桿 Y
int16_t pot; // 旋鈕 (0 ~ 4095)
uint8_t mode; // 0: 車輛模式, 1: 手臂模式
uint8_t light_bits; // 燈光狀態
} ControlPacket;
// 車輛 -> 遙控器 (回傳數據)
typedef struct {
float rpm; // 車速
bool arm_active; // 確認手臂是否激活
} TelemetryPacket;
#endif
Vehicle/main.cpp
Vehicle/main.cpp
// 車輛端 Firmware (NodeMCU-32S)
#include <Arduino.h>
#include <ESP32Servo.h>
#include <FastLED.h>
#include <WiFi.h>
#include <esp_now.h>
#include "common.h"
// --- MAC 設定 ---
uint8_t remoteMac[] = {0x08, 0x3A, 0xF2, 0xA9, 0x1E, 0x18};
// --- 硬體定義 ---
#define PIN_MOTOR_EN 4
#define PIN_MOTOR_PWM 16
#define PIN_MOTOR_DIR 17
#define PIN_ENC_A 34
#define PIN_ENC_B 35
#define PIN_LED_STRIP 13
#define NUM_LEDS 22
// Servo Pins: Steer, Base, Shoulder, Elbow, Wrist, Grip
const int SERVO_PINS[] = {18, 19, 26, 27, 23, 25};
Servo servos[6];
// --- 全域變數 ---
ControlPacket rxData;
CRGB leds[NUM_LEDS];
unsigned long lastRecvTime = 0;
bool isConnected = false;
// 平滑控制變數
float currentServoPos[6] = {90, 90, 90, 90, 90, 90};
// 測速變數
volatile long encoderCount = 0;
unsigned long lastRpmTime = 0;
float currentRpm = 0;
// 燈光計時
unsigned long blinkTimer = 0;
bool blinkState = false;
static void selfTestLights() {
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Red);
FastLED.show();
delay(300);
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Green);
FastLED.show();
delay(300);
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Blue);
FastLED.show();
delay(300);
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Black);
FastLED.show();
}
static inline int16_t clampStick(int16_t v) {
if (v > 512) return 512;
if (v < -512) return -512;
return v;
}
static inline int16_t clampPot(int16_t v) {
if (v < 0) return 0;
if (v > 4095) return 4095;
return v;
}
// --- 中斷：編碼器讀取 ---
void IRAM_ATTR readEncoder() { encoderCount++; }
// --- 燈光控制邏輯 ---
void updateLights() {
// 斷線保護
if (!isConnected) {
if ((millis() / 200) % 2)
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Red);
else
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Black);
FastLED.show();
return;
}
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Black); // 清除背景
uint8_t lights = rxData.light_bits;
// 閃爍計時 (300ms)
if (millis() - blinkTimer > 300) {
blinkTimer = millis();
blinkState = !blinkState;
}
// 大燈 (0-10 前白, 11-21 後微紅)
if (lights & LIGHT_HEAD) {
for (int i = 0; i <= 10; i++) leds[i] += CRGB(150, 150, 150);
for (int i = 11; i < 22; i++) leds[i] += CRGB(30, 0, 0);
}
// 煞車燈 (油門歸零時全亮紅)
int16_t throttle = clampStick(rxData.ly);
if (rxData.mode == 0 && abs(throttle) < 20) {
for (int i = 11; i < 22; i++) leds[i] = CRGB::Red;
}
// 方向燈 (優先權：雙閃 > 方向燈)
CRGB sigColor = CRGB::Orange;
if (lights & LIGHT_HAZARD) {
if (blinkState) fill_solid(leds, NUM_LEDS, sigColor);
} else {
// 左轉 (假設 0-2 為左前, 19-21 為左後)
if ((lights & LIGHT_LEFT) && blinkState) {
leds[0] = sigColor;
leds[1] = sigColor;
leds[20] = sigColor;
leds[21] = sigColor;
}
// 右轉 (假設 8-10 為右前, 11-13 為右後)
if ((lights & LIGHT_RIGHT) && blinkState) {
leds[9] = sigColor;
leds[10] = sigColor;
leds[11] = sigColor;
leds[12] = sigColor;
}
}
// 預留功能 (藍光特效)
if (lights & LIGHT_RESERVED) {
if (blinkState) fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Blue);
}
FastLED.show();
}
// --- 運動控制 (含平滑演算法) ---
void updateMotion() {
// 斷線強制停車
if (!isConnected) {
digitalWrite(PIN_MOTOR_EN, LOW);
return;
}
// 手臂模式：強制停車 (避免用 ly 控肩膀時車亂跑)
if (rxData.mode == 1) {
digitalWrite(PIN_MOTOR_EN, LOW);
ledcWrite(0, 255);
} else {
// 1. 馬達控制 (反相PWM: 255=停, 0=全速)
int16_t throttle = clampStick(rxData.ly);
int pwmVal = map(abs(throttle), 0, 512, 0, 255);
pwmVal = constrain(pwmVal, 0, 255);
if (abs(throttle) < 20) {
digitalWrite(PIN_MOTOR_EN, LOW);
ledcWrite(0, 255);
} else {
digitalWrite(PIN_MOTOR_EN, HIGH);
digitalWrite(PIN_MOTOR_DIR,
throttle > 0 ? HIGH : LOW); // 若方向相反請改 LOW:HIGH
ledcWrite(0, 255 - pwmVal);
}
}
// 2. Servo 目標計算
int target[6];
int16_t lx = clampStick(rxData.lx);
int16_t ly = clampStick(rxData.ly);
int16_t rx = clampStick(rxData.rx);
int16_t ry = clampStick(rxData.ry);
int16_t pot = clampPot(rxData.pot);
if (rxData.mode == 0) { // 車輛模式
target[0] = map(rx, -512, 512, 0, 180); // 轉向
for (int i = 1; i <= 4; i++)
target[i] = (int)currentServoPos[i]; // 手臂鎖定
target[5] = map(pot, 0, 4095, 0, 180); // 夾頭
} else { // 手臂模式
target[0] = 90; // 轉向回正
target[1] = map(lx, -512, 512, 0, 180); // Base
target[2] = map(ly, -512, 512, 0, 180); // Shoulder
target[3] = map(ry, -512, 512, 0, 180); // Elbow
target[4] = map(rx, -512, 512, 0, 180); // Wrist
target[5] = map(pot, 0, 4095, 0, 180); // Grip
}
// 3. 平滑執行
float k_fast = 0.6; // 轉向與夾頭反應快
float k_slow = 0.05; // 手臂反應慢(防甩)
for (int i = 0; i < 6; i++) {
float k = (i == 0 || i == 5) ? k_fast : k_slow;
currentServoPos[i] = (currentServoPos[i] * (1 - k)) + (target[i] * k);
servos[i].write((int)currentServoPos[i]);
}
}
// --- RPM 計算與回傳 ---
void handleTelemetry() {
// 計算 RPM (每 100ms)
if (millis() - lastRpmTime > 100) {
// 假設編碼器 PPR=360 (請依規格調整)
currentRpm = (encoderCount / 360.0) * 600.0; // 轉換為 RPM
encoderCount = 0;
lastRpmTime = millis();
}
// 發送回傳 (每 200ms)
static unsigned long lastSend = 0;
if (isConnected && millis() - lastSend > 200) {
TelemetryPacket packet;
packet.rpm = currentRpm;
packet.arm_active = (rxData.mode == 1);
esp_now_send(remoteMac, (uint8_t*)&packet, sizeof(packet));
lastSend = millis();
}
}
// --- ESP-NOW Callback ---
void OnDataRecv(const uint8_t* mac, const uint8_t* incomingData, int len) {
if (len != sizeof(rxData)) return;
memcpy(&rxData, incomingData, sizeof(rxData));
lastRecvTime = millis();
isConnected = true;
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println("[VEHICLE] boot");
// Motor
pinMode(PIN_MOTOR_EN, OUTPUT);
pinMode(PIN_MOTOR_DIR, OUTPUT);
ledcSetup(0, 20000, 8);
ledcAttachPin(PIN_MOTOR_PWM, 0);
// Encoder
pinMode(PIN_ENC_A, INPUT);
pinMode(PIN_ENC_B, INPUT);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_ENC_A), readEncoder, RISING);
// Servos
for (int i = 0; i < 6; i++) servos[i].attach(SERVO_PINS[i]);
// LEDs
pinMode(PIN_LED_STRIP, OUTPUT);
FastLED.addLeds<WS2812B, PIN_LED_STRIP, GRB>(leds, NUM_LEDS);
FastLED.setBrightness(100);
selfTestLights();
// WiFi
WiFi.mode(WIFI_STA);
if (esp_now_init() != ESP_OK) return;
esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv);
// Register Peer (Remote)
esp_now_peer_info_t peerInfo;
memset(&peerInfo, 0, sizeof(peerInfo));
memcpy(peerInfo.peer_addr, remoteMac, 6);
peerInfo.channel = 0;
peerInfo.encrypt = false;
peerInfo.ifidx = WIFI_IF_STA;
esp_err_t addStatus = esp_now_add_peer(&peerInfo);
if (addStatus != ESP_OK) {
Serial.print("ESP-NOW add peer failed: ");
Serial.println(addStatus);
} else {
Serial.println("ESP-NOW peer added");
}
}
void loop() {
if (millis() - lastRecvTime > 500) isConnected = false;
// 方便現場除錯：每秒印一次連線/燈光狀態
static unsigned long lastLog = 0;
if (millis() - lastLog > 1000) {
Serial.print("[VEHICLE] link=");
Serial.print(isConnected ? "OK" : "--");
Serial.print(" mode=");
Serial.print(rxData.mode);
Serial.print(" light_bits=0x");
Serial.print(rxData.light_bits, HEX);
// LED buffer 狀態（用來判斷是硬體不亮，還是程式沒把 LED 設成亮）
uint16_t nonBlack = 0;
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
if (leds[i].r || leds[i].g || leds[i].b) nonBlack++;
}
Serial.print(" leds_on=");
Serial.print(nonBlack);
Serial.print(" led0=");
Serial.print(leds[0].r);
Serial.print(",");
Serial.print(leds[0].g);
Serial.print(",");
Serial.print(leds[0].b);
Serial.print(" led11=");
Serial.print(leds[11].r);
Serial.print(",");
Serial.print(leds[11].g);
Serial.print(",");
Serial.println(leds[11].b);
lastLog = millis();
}
updateMotion();
updateLights();
handleTelemetry();
delay(10);
}
Rermote/main.cpp
Rermote/main.cpp
// 遙控器端 Firmware (Lolin32 Lite)
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <Wire.h>
#include <esp_now.h>
#include "common.h"
// --- MAC 設定 ---
uint8_t vehicleMac[] = {0xE0, 0xE2, 0xE6, 0xD0, 0xB9, 0xEC};
// --- 硬體定義 ---
#define PIN_LX 34
#define PIN_LY 35
#define PIN_RX 32
#define PIN_RY 33
#define PIN_POT 39
#define BTN_MODE 22
#define BTN_L 18
#define BTN_R 5
#define BTN_HAZ 17
#define BTN_HEAD 16
#define BTN_RES 4
#define I2C_SDA 23
#define I2C_SCL 19
// --- 全域變數 ---
ControlPacket txData;
TelemetryPacket rxTelem;
Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1);
bool isCarConnected = false;
unsigned long lastTelemTime = 0;
// 按鈕狀態結構
struct Button {
int pin;
bool lastState;
bool toggleState;
};
Button btns[6] = {{BTN_MODE, HIGH, false}, {BTN_L, HIGH, false},
{BTN_R, HIGH, false}, {BTN_HAZ, HIGH, false},
{BTN_HEAD, HIGH, false}, {BTN_RES, HIGH, false}};
// --- 按鈕處理 ---
void updateButtons() {
for (int i = 0; i < 6; i++) {
bool reading = digitalRead(btns[i].pin);
if (reading == LOW && btns[i].lastState == HIGH) { // 按下瞬間
btns[i].toggleState = !btns[i].toggleState;
delay(20); // 簡單防彈跳
}
btns[i].lastState = reading;
}
// 互斥邏輯 (L/R)
if (digitalRead(btns[1].pin) == LOW)
btns[2].toggleState = false; // 按 L 關 R
if (digitalRead(btns[2].pin) == LOW)
btns[1].toggleState = false; // 按 R 關 L
}
// --- ESP-NOW Callback ---
void OnDataRecv(const uint8_t* mac, const uint8_t* incomingData, int len) {
memcpy(&rxTelem, incomingData, sizeof(rxTelem));
lastTelemTime = millis();
isCarConnected = true;
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
// Pins
pinMode(BTN_MODE, INPUT_PULLUP);
pinMode(BTN_L, INPUT_PULLUP);
pinMode(BTN_R, INPUT_PULLUP);
pinMode(BTN_HAZ, INPUT_PULLUP);
pinMode(BTN_HEAD, INPUT_PULLUP);
pinMode(BTN_RES, INPUT_PULLUP);
// Display
Wire.begin(I2C_SDA, I2C_SCL);
if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) Serial.println("OLED Failed");
display.clearDisplay();
// WiFi
WiFi.mode(WIFI_STA);
WiFi.disconnect(false, true);
if (esp_now_init() != ESP_OK) return;
esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv);
// Register Peer (Vehicle)
esp_now_peer_info_t peerInfo = {};
memcpy(peerInfo.peer_addr, vehicleMac, 6);
peerInfo.channel = 0;
peerInfo.encrypt = false;
peerInfo.ifidx = WIFI_IF_STA;
esp_err_t addStatus = esp_now_add_peer(&peerInfo);
if (addStatus != ESP_OK) {
Serial.print("esp_now_add_peer failed: ");
Serial.println(addStatus);
}
}
void loop() {
// 1. 讀取輸入
updateButtons();
// 2. 打包資料
// ADC(0~4095) -> 搖桿期望範圍(-512~512)
txData.lx = (analogRead(PIN_LX) - 2048) / 4;
txData.ly = (analogRead(PIN_LY) - 2048) / 4;
txData.rx = (analogRead(PIN_RX) - 2048) / 4;
txData.ry = (analogRead(PIN_RY) - 2048) / 4;
txData.pot = analogRead(PIN_POT); // 0-4095
// 死區修正
if (abs(txData.lx) < 40) txData.lx = 0;
if (abs(txData.ly) < 40) txData.ly = 0;
if (abs(txData.rx) < 40) txData.rx = 0;
if (abs(txData.ry) < 40) txData.ry = 0;
txData.mode = btns[0].toggleState ? 1 : 0; // 0=CAR, 1=ARM
txData.light_bits = 0;
if (btns[1].toggleState) txData.light_bits |= LIGHT_LEFT;
if (btns[2].toggleState) txData.light_bits |= LIGHT_RIGHT;
if (btns[3].toggleState) txData.light_bits |= LIGHT_HAZARD;
if (btns[4].toggleState) txData.light_bits |= LIGHT_HEAD;
if (btns[5].toggleState) txData.light_bits |= LIGHT_RESERVED;
// 3. 發送資料
esp_now_send(vehicleMac, (uint8_t*)&txData, sizeof(txData));
// 4. 連線狀態檢查
if (millis() - lastTelemTime > 1000) isCarConnected = false;
// 5. 更新螢幕
display.clearDisplay();
display.setTextSize(1);
display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
display.setCursor(0, 0);
display.print("MODE: ");
display.println(txData.mode ? "ARM" : "CAR");
display.setCursor(64, 0);
display.print(isCarConnected ? "LINK: OK" : "LINK: --");
display.setCursor(0, 16);
display.print("RPM: ");
display.print(rxTelem.rpm, 0);
// 左右轉燈：移到 RPM 右側同行
display.setCursor(100, 16);
if (btns[1].toggleState)
display.print("<<");
else if (btns[2].toggleState)
display.print(">>");
else
display.print(" ");
// HEAD/HAZ + P：P 值移到 HAZ 右側
display.setCursor(0, 32);
display.print(btns[4].toggleState ? "[HEAD]" : "[ ]");
display.print(" ");
display.print(btns[3].toggleState ? "[HAZ]" : "[ ]");
display.print(" P:");
display.print(txData.pot);
// 下方兩行：分別顯示左右搖桿 XY
display.setCursor(0, 48);
display.print("Lx:");
display.print(txData.lx);
display.print(" Ly:");
display.print(txData.ly);
display.setCursor(0, 56);
display.print("Rx:");
display.print(txData.rx);
display.print(" Ry:");
display.print(txData.ry);
display.display();
delay(50); // Loop Rate ~20Hz
}
最終成果
最終成果
測試影片
測試影片
影片中展示了各項設計功能，遙控器的操作、車輛的機械結構等。
整車外觀
整車外觀
依 3D 建模輸出的檔案切片後列印出的成品。
後輪驅動結構
後輪驅動結構
以上學期的材料拆下後重複利用，以馬達帶動導輪帶動皮帶傳輸動力到輪軸。
主板及前輪轉向結構
主板及前輪轉向結構
以 NodeMCU-32s 開發板（中左上方）串接起各個電子零件。
轉向結構則使用遙控車常見的結構。
機械手臂
機械手臂
一大臂一小臂加上轉向底座的結構，前端還設計有一夾子（開發板毀損無法測試未實裝）。
遙控器
遙控器
以 LOLIN32 Lite 開發板為中心，接上一個 OLED 螢幕、兩個搖桿、一個可變電組及六顆按鍵。
心得
心得
胡朝凱：這次專題是延伸上次自平衡自行車的專題，整體一樣以搖桿控制遙控車前後左右，主要差別在於少了計算控制平衡的步驟，多了一個機械手臂。過程中都還算順利，測試階段遙控車和機械手臂也都可以正常作動，但可惜在收尾階段修改程式時，因為ESP32開發板莫名損壞，導致車輛和機械手臂無法操作，我們也沒有多餘的材料能夠更換，最後只能以半成品的方式結束這個專題。
林致宇：本專案以 ESP32 為核心，開發具備雙向通訊功能之機械手臂遙控車。透過 ESP-NOW 協定實現低延遲控制與即時數據回傳，並運用平滑演算法消除機械抖動。過程中克服底層通訊配置與電源管理等硬體挑戰，成功整合六軸手臂、馬達驅動與燈光系統。最終實現了精確操作與狀態監控功能，並深刻體悟嵌入式系統軟硬整合之實務精髓。雖然開發板突然壞了，但還是學到很多。
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