专治手残症的毕业设计：特雷·瓦力机器人
00 的 Fab Academy 毕业设计：特雷·瓦力
起源
在开始的开始，我打算做一个特雷门琴 (Theremin)。它是一种奇葩乐器，1919年由俄国物理学家 Theremin 教授发明，也是世界上第一种不需要身体接触就可以演奏的乐器（电子音乐的鼻祖）。
但是，在研究特雷门琴的原理时，被复杂的电路和声学原理吓得有点懵：
认怂了以后，调整原计划为一个简化版本：做一个迷你机器人，如果在机器人面前移动手的位置，机器人就会根据手掌距离自己的距离，发出不同声调的音符。你可以在不碰机器人的情况下，指挥它演奏一段乐曲。
因为既不是完整的特雷门琴，也不是机器人瓦力，只好叫做特雷·瓦力 （英文名 Mini Soundbot ，又名：迷你骚包）
草得不能再草的草图：
项目计划
期末作业的截止完成时间是 6.22，时间不多，必需做好时间计划。
我把项目分成 4 个部分：设计，编程，外观和测试。从 6.8 正式开始准备，当时只有一张草图，其余都是一片空白，意味着我需要用 10 天时间，把这个课程学到的东西运用到项目中，完成期末作业。要命的是，我离实验室有三个小时的路程 —— 我在广州，实验室在深圳。所有东西必须在出发前计划和设计好，才能保证去实验室的时间真正有所产出。
列出关键任务后，给它们分配具体的时间：
| 任务 | 日期 | 输出 |
|---|---|---|
| 研究特雷门原理 | 6.9-6.11 | 原理图，项目结构图 |
| 编程 | 6.12-6.18 | 在 Arduino 上可以正常运行的程序 |
| 电路元器件规划 | 6.12 | PCB 设计文件 |
| 电路板设计 | 6.13 | PCB 设计文件 |
| 购买元器件和其他材料 | 6.15 | 淘宝订单 |
| 设计外型组装部分 | 6.13-6.15 | Fusion 360 设计源文件 |
| 雕刻电路板 | 6.18 | 电路板 |
| 焊接元件 | 6.18 | 电路板 |
| 测试输入和输出组件 | 6.19 | 基本功能可运作 |
| 制作外壳 | 6.18-6.19 | 激光切割和 3D 完成的部件 |
| 组装 | 6.19 | 把所有部分组装成完整的作品 |
| 调试 | 6.20-6.21 | 调试和演示准备 |
过程
1. 整体设计
输入 : 使用超声波测距模块 HC-SR04 检测距离
输出: 最开始打算用小喇叭，但是效果不好，遂放弃。
改成用软件的方式实现声音的控制，把 macbook 作为扬声器，用程序将距离转换为 C 调音符：
材料和开销
硬件
ATTiny 45 芯片
超声波测距模块 HC-SR04
AVRISP SMD
FTDI-SMD-HEADER
电阻 10.0K OHM 1206 SMD
电容 1UF 1206
杜邦线
软件
Arduino IDE
New Ping Library for Arduino IDE
addon for OpenFrameworks
外壳
椴木板
3D 打印部件
硬件和外壳部分总共花费约 $17 。
| 物品 | 数量 | 花费 |
|---|---|---|
| Attiny 45 | 1 | $ 2 |
| HC-SR04 | 1 | $ 1 |
| AVRISPSMD | 1 | $ 1 |
| FTDI-SMD-HEADER | 1 | $ 1 |
| RES 10.0K OHM 1206 SMD | 2 | $ 0.1 |
| CAP CER 1UF 1206 | 1 | $ 0.1 |
| Dupont Line | 5 | $ 0.1 |
| basswood | 2 | $ 10 |
| 3D Printing PLA | 1 | $1 |
| glue | 1 | $ 1 |
| TOTAL | $ 17 |
2. 编程
为了实现用电脑作为声音转化器，我使用开源的 C++ 套件 。这个库简化了很多音频处理的工作。
openFrameworks 有一个叫做 的 C++ 插件，专门用来做声音合成以及音乐数字信号处理和转换，这样我就能直接将传感器的信号转换成为可播放的音阶：
在制作电路之前，我先用 Arduino 来测试基础功能：
3. 电路设计
因为使用了软件实现主要的模拟信号转换，所以电路方面就变得简单很多，只需要实现传感器的数据传输就行：
4. 制作电路板
使用 RSM-20 雕刻电路板并且焊接元器件：
烧程序 sudo make -f hello.HC-SR04.make program-usbtiny
avr-objcopy -O ihex hello.HC-SR04.out hello.HC-SR04.c.hex;\
avr-size --mcu=attiny45 --format=avr hello.HC-SR04.out
AVR Memory Usage
----------------
Device: attiny45
Program: 526 bytes (12.8% Full)
(.text + .data + .bootloader)
Data: 2 bytes (0.8% Full)
(.data + .bss + .noinit)
avrdude -p t45 -P usb -c usbtiny -U flash:w:hello.HC-SR04.c.hex
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions
Reading | ################################################## | 100% 0.00s
avrdude: Device signature = 0x1e9206
avrdude: NOTE: "flash" memory has been specified, an erase cycle will be performed
To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
avrdude: reading input file "hello.HC-SR04.c.hex"
avrdude: input file hello.HC-SR04.c.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: writing flash (526 bytes):
Writing | ################################################## | 100% 0.92s
avrdude: 526 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against hello.HC-SR04.c.hex:
avrdude: load data flash data from input file hello.HC-SR04.c.hex:
avrdude: input file hello.HC-SR04.c.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: input file hello.HC-SR04.c.hex contains 526 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:
Reading | ################################################## | 100% 1.11s
avrdude: verifying ...
avrdude: 526 bytes of flash verified
avrdude: safemode: Fuses OK (H:FF, E:DF, L:62)
avrdude done. Thank you.5. 制作外壳
超声波测距模块长得很像机器人的眼睛，所以干脆给它整了一个机器人 Wall-E 的造型。 在 Fusion 360 里做好部件的设计：
然后导出成 dxf 文件到 Coraldraw 里，发送到 GCC 激光切割机。使用的参数是： speed 2.7 ， power 100：
切割完成：
开始组装：
还补充了一些 3D 打印的小部件：
测试
看起来万事俱备，测试走起！
在移动过程中，音符的识别容易抖动，需要做进一步的滤波处理。
演示
视频：
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=t0312hw9hzn&width=500&height=375&auto=0
坑和经验
项目管理
项目管理很重要，即便只是个人项目。如果没有确切的时间表和关键任务列表，整个过程会变得地狱般忙乱。一旦把看似复杂的整个项目拆解成任务列表，并且明确每个任务的期限，每一步行动就有了目标，也就没有太多的时间去焦虑。更重要的是，把每个任务需要产出的结果和标准给出来，会更明确下一步要做什么，以及做到什么程度就应该继续下一个任务，而不是无休止的纠缠于细节。
学习了音频和音乐制作的一些原理
如何通过程序将传感器信号转换成为有规律的音符。音阶和频率都很有意思（有时候也让人摸不着头脑），当然，还有不少音乐制作的基础概念，比如 propagation 传播， amplitude 振幅，frequency 频率和timbre 音色。
使用第三方框架和插件来提高效率
在开源的世界和神奇的 github，不用再重复造轮子，有大量的优秀的项目和组件库等着被挖宝。虽然仔细地读文档和看例子挺费时间，但相比自己去实现复杂的功能，这个投入的性价比实在太高了。
待完善部分
程序的稳定性依然有待改善
目前只做到了音阶的转换，但是没有实现特雷门琴的另一个主要特性：用手掌距离的远近控制音量大小
更有趣的做法是，做一个可以自动播放旋律的装置，而不是手工去演奏。
Fab Academy 笔记列表
致谢
这半年，要感谢很多人：实验室的小伙伴，guru 们，工作上的小伙伴，被我拒绝周末约饭的小伙伴们，谢谢大家对我的理解和支持。
特别感谢在我发出攒学费帖之后，慷慨赞助的各位 （如有遗漏，一定是我人品问题，请原谅）：
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以及给每一篇笔记打赏和留言的朋友们。过程很难熬，好在有你们的鼓励。
鞠躬，谢谢！！
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