一、前言
Arduino 自走車教學前三單元教大家從零開始，首先是第一個單元的組裝，接著是第二單元的行進控制，最後是第三單元的避障與循線實現。為了讓初學的使用者可以快速上手，程式的部份是採用圖形化的方式，主要在功能的實現，不在 C++ 語言的學習。
近期陸陸續續有收到不少使用者提出需求，對於已經有一定程度，而且熟練用 Arduino IDE 開發的使用者，或是入門一段時間，想從自走車專案練練手的朋友，許願「是否能提供 C++ 的程式碼做為專案製作參考呢？」。
於是本篇文章就誕生啦！我們將原先的圖形化程式重新構築後，產生了八個範例程式，同樣從基礎的馬達控制，到最終的循線避障。希望可以幫助大家理解，如何用 C++ 開發循線避障自走車。
二、Arduino 程式撰寫說明
若您已經很熟悉 Arduino 可以先跳過這一個段落，直接前往下載範例程式。打開 Arduino IDE 後可以看到畫面內已有一些程式碼，分別是「setup()」以及「loop()」，基本上我們就是將程式碼填入這兩個區塊裡面。以一個導入程式庫執行超音波測距的程式為例子，如下圖所示：
上圖中，我們將程式分為三個區塊，分別是「事前準備區塊」、「初始化區塊」與「重複執行區塊」。
1. 事前準備區塊：通常用來放置一些使用者自訂的程式碼，或是需要導入的程式庫。執行超音波功能時我們需要導入程式庫「NewPing.h」，這個程式庫幫我們把一些超音波測距的邏輯寫完了，我們只需匯入並依照它的規則調用即可，所以我們將它放在「事前準備區塊」。
2. 初始化區塊：這個區塊放置的是一些初始化的設定參數，以及只想在開機時執行的程式（通電後執行一次）。以上圖為例，我們想透過「序列埠監控視窗」將超音波感測器讀取到的數值，列印在視窗上讓我們查看，這時候就需要啟動序列埠的功能 (Serial.begin(9600);)，因為啟動只需要做一次，我們就會將這類的程式放在「初始化區塊」。
3. 重複執行區塊：這個區塊顧名思義就是，放置想要一直不停執行的程式。以上圖為例，放置的是讀取超音波感測器的感測數值，並輸出到「序列埠監控視窗」，並以間隔 50 毫秒的時間重複執行上述步驟。
三、範例程式下載
關於自走車控制的原理與相關細節，在第一到第三單元皆已詳細說明，還沒看過的朋友可以參考之前的文章。這個單元我們就直接從程式碼來學習，請大家將所有「範例程式」下載到自己的電腦。
找到下載的範例程式檔案並解壓縮後，如先前所述，總共會有八個範例程式。接下來我們將會一一為大家解說。
四、程式說明
1. 讓馬達轉起來
我們先從第一個程式「01.motor_Test」開始，完整程式如下圖所示：
我們自走車的馬達是連接在馬達驅動板上，透過 Arduino 上面的 PWM 腳位控制驅動板，進而帶動馬達轉動或停止。因為並不是每個腳位都支援 PWM，所以在第一單元組裝時有特別挑選過。依照順序來看，腳位 5、6 控制一顆馬達，腳位 9、10 則控制另一顆馬達。忘記這些腳位控制哪個馬達並無大礙，待會兒轉起來就知道了。
在控制之前，我們需要定義腳位的工作方式，例如我是要讓這個腳位作為輸出用途呢？還是輸入用途？輸入的話通常用來讀取，輸出的話則是用來推動。
我們會用這些腳位來控制馬達轉動，在功能上就是「輸出」的意思，所以我們會透過「pinMode」這個設定腳位功能的程式，來設定我們要使用的腳位狀態。想要腳位做輸出，會在腳位後方填上「OUTPUT」，若是想要輸入，會填上「INPUT」，以下圖為例：
接下來，設定好腳位功能後，就可以開始控制腳位來推動馬達了。使用 PWM 控制腳位輸出，會使用「analogWrite」，並於腳位後方填上欲控制的強度，強度範圍是「0~255」。數字越大越強，最小的 0 表示無輸出，馬達是由兩條線控制的，其中一個腳位設定強度，另一個腳位設定無輸出，馬達就會開始轉動。以連接腳位 5、6 控制的馬達為例，如下圖所示：
若是想讓馬達停下來，只要將腳位輸出都設為 0 即可。
說到這裡，聰明的您應該已經知道這個程式在做什麼了吧！將程式燒錄到 Arduino 上，並接上電池看看，自走車是否有動起來了呢？
若是跟您想的不一樣沒關係，讓我來跟大家詳細解說～
說明
程式設定完腳位功能為輸出之後，將左右兩顆馬達都輸出強度為200的馬力，此時馬達會開始轉動，因為「delay」程式的關係，程式會暫停3秒鐘，待3秒鐘一到，接著執行之後的程式。接下來的程式是將馬達強度皆設為0，原先不停轉動的馬達此刻就會停止轉動。所有的程式都是放在「setup()」區塊，所以執行完就不會再執行了。自走車的兩顆馬達將會在送電後開始轉動，等待3秒後轉動會停下來，然後就永遠靜止。
2. 控制馬達轉向
第二個程式「02.motor_setting」與第一個程式沒有不同，唯一不一樣的是更換輸出的腳位，完整程式如下圖所示：
上一個程式說明有提到馬達是由兩個腳位控制的，想要馬達轉動就是一個腳位輸出，另一個腳位不輸出，讓我們來看一下這張圖：
以上圖來看，當 5 號腳輸出強度 200，6 號腳無輸出時，馬達會順時針旋轉。反之，若互換腳位的輸出強度，5 號腳輸出強度 0，6 號腳輸出強度 200 時，馬達變為逆時針旋轉。
不曉得大家執行第一個程式時，自走車是向前進？向後退？還是原地旋轉呢？如果自走車不是向前跑，我們可以用剛剛學習到的知識，調整馬達轉向，讓自走車前進。
像筆者的自走車執行第一個程式時都在原地旋轉，原因是透過 5、6 腳位控制的馬達是向後轉的，9、10 腳位控制的馬達是向前轉的。
所以調整 5、6 腳位的輸出控制，將兩個腳位的輸出強度互換，更改後的程式如「02.motor_setting」所示。重新燒錄程式至 Arduino 後，自走車就變成向前移動了。
3. 控制自走車移動
既然我們已經學會控制馬達轉動，也明白如何調整單顆馬達轉向。第三個範例程式「03.motor_control」將帶大家編寫副程式，並透過呼叫副程式，使自走車移動，完整程式碼如下（因為程式碼太長，所以呈現上用並排的方式）：
什麼是副程式呢？副程式就是將一些固定的、常用的程式組成一個群組，當要執行這些程式時，只要呼叫這個群組即可。範例程式中有幾個副程式，分別是「Forward」、「Backward」、「Left」、「Right」與「Stop」。這些副程式如各自名稱所述，功能是讓自走車能前進、後退、左轉、右轉與停止。
副程式基本上可分為兩種，「單純執行編好的程式碼」與「執行完後回傳訊息」兩種，依照種類的不同，當然編寫方式也不同。我們這邊使用的是「單純執行編好的程式碼」，副程式開頭以「void」加上「名稱」與「括弧」，括弧內可以帶入參數（以範例程式裡的 Forward 為例，可帶入格式為 byte，名稱為 sp 的參數)，接著標上大括弧，功能都是寫在大括弧內。
同樣以「Forward」為例，如下圖所示：
參數的用意是，我們可以在呼叫的時候填上想要的控制強度，今天我想要以強度 200 來前進，就在呼叫時於括弧內填上 200，想以強度 100 則在括弧內填上 100。
說到這裡，完整程式執行邏輯就是：
送電後首先執行各腳位輸出設定，接著讓自走車開始不停重複前進、後退、左轉與右轉的動作。在每個動作切換前，會先執行停止的指令。
請大家參考範例程式，編寫自己自走車的副程式，並將程式燒錄到 Arduino 上，送電驗證看看。若是您的自走車沒有像程式撰寫般移動，例如明明要左轉，實際卻是向後移動，請依照調整馬達轉向的方法，修正各個副程式，直到動作正常。
4. 讀取循線感測器數值
經過前幾個程式的學習，您應該已經學會如何控制自走車移動，第四個範例程式「04.ir_sensor_read」，會開始進到循線的主題。在進行循線之前，我們要先學會如何讀取感測器的數值，經由感測器來判斷，車子該如何修正行進的路線，完整程式碼如下：
程式中保留了我們原先設定馬達控制的腳位 (5、6、9、10)，額外新增了 A0 與 A1 腳位，分別用來讀取兩個循線感測器。為了讓 Arduino讀取感測器的訊號，所以我們要將其設定為「INPUT」，確保這兩個新加入的腳位做為輸入用途。
為了查看讀取到的訊號，我們會透過序列埠監控視窗來查看，使用「Serial.begin(9600)」啟動序列埠功能，括弧內的數字則是傳輸的鮑率。
讀取訊號前我們會依照感測器的類型做選擇，感測器以使用方法區分，有分為「數位訊號類型」、「類比訊號類型」與「特殊類型」。在購買感測器的時候可以詢問店家或查看相關說明，在 Google 上搜尋也是一個辦法。我們自走車使用的循線感測器是屬於「數位訊號類型」的，程式中會使用「digitalRead(A0)」來讀取訊號，括號內放入的是要讀取的腳位。這個程式會取得感測器當下讀取的狀態並回傳，通常我們會設定一個變數將這個資料儲存下來，方便之後做程式比對。
取得感測器的訊號後，就能使用序列埠監控視窗列印出來，程式會使用「Serial.print()」與「Serial.println()」，「Serial.print()」不換行，而「Serial.println()」會換行，括弧內放入要印出的資訊。
完整的程式流程：
將程式燒錄到 Arduino 後，請點開序列埠監控視窗，並設定相同的鮑率 9600，即能正常查看到印出來的資訊囉！
5. 實現循線功能
依照上一個程式做衍伸，取得感測器資訊後，我們就能用來控制自走車移動。在Arduino 自走車教學系列 – 單元(三)中，我們可以知道循線感測器的原理，以及自走車在行進中會遇到的四種狀態，如下圖：
我們會依照兩個循線感測器讀取到的訊息，得出上面四種結果。依照得到的結果做出相對應的控制，像是遇到狀態 1 時，我們會用程式控制車子前進，而遇到狀態 3 時，我們會控制車子向左偏移，讓車子可以回到線上。
完整程式碼「05.line_follower」：
詳細概念可以參考上個單元的文章，首先我們先撰寫一個控制自走車前進的副程式，這個副程式可以填入四個參數，分別用來控制左、右馬達轉動的強度，短短一行即可設定四支腳位的狀態。
接下來使用「if…else…」，將每個狀態對應的馬達控制動作寫出來。
完整的程式流程：
首先在「setup()」區塊內，設定馬達與感測器的腳位狀態。接著在「loop()」區塊內，依照感測器讀取到的狀態，控制馬達轉動。
將程式燒錄到 Arduino 後，於白色桌子上黏貼黑色膠帶路線，接上電池試試看自走車有沒有沿著線跑。
6. 讀取超音波感測器數值
超音波感測器的原理與操作，同樣可以參考Arduino 自走車教學系列 – 單元(三)中的內容。為了方便量測超音波感測器的數值，我們需要安裝適合的程式庫，請開啟 Arduino IDE，並於選單中啟動「程式庫管理員」。在搜尋欄位中，輸入「NewPing」搜尋，找到下圖中的程式庫後請安裝該程式庫。
接著讓我們來看看，讀取超音波感測器的完整程式碼「06.ultrasonic」：
開頭我們會匯入程式庫「NewPing」，並依照它的使用規則設定連接的腳位，將功能賦予給名為「sonar」的物件。
小提示：
程式庫的使用規則可以參考它本身提供的範例程式作為參考，可以在選單中的「檔案＞範例＞NewPing」中查看相關範例程式，在這裡就不贅述了。
接著與方才讀取循線感測器一樣，在「setup()」區塊內我們會設定序列埠功能並設定鮑率，「loop()」區塊內，則是放上列印資訊。程式「sonar.ping_cm()」會回傳超音波感測器偵測到的距離，單位是公分。
完整程式流程大致上分為三個步驟：
第一步：匯入程式庫並完成相關設定。
第二步：啟動序列埠功能。
第三步：不停讀取感測器數值並列印至序列埠監控視窗。
將程式燒錄至 Arduino，完成後開啟序列埠監控視窗，試著用手遮擋超音波感測器，並觀察感測數值。
7. 實現避障功能
可以取得與前方障礙物的距離後，我們就能設定一個距離作為判斷依據，例如 20 公分。自走車移動的過程中，當超音波偵測到的距離小於 20 公分時，讓自走車做出轉彎的動作來閃避。若偵測大於 20 公分，則自走車繼續前進。
完整程式碼「07.avoid_the_wall」如下：
我們將範例程式「05.line_follower」，裡面控制馬達的程式複製到此。對比循線自走車的程式，避障自走車的程式較為單純，只要一組「if…else…」就能完成判斷。當偵測距離大於 20 公分，自走車以強度 150 前進，反之則以強度 150 轉彎。
完整程式流程大致上分為二個步驟：
第一步：匯入程式庫並完成相關設定。
第二步：不停讀取感測器數值並控制馬達移動。
將程式燒錄到 Arduino 後，接上電池試試看，自走車前進過程中，有沒有看到障礙物就轉彎。
8. 結合避障功能與循線功能
既然已經學會如何使用超音波感測器，來製作避障功能，同時也完成了讀取循線感測器，實現了循線自走車的功能。那麼接下來就將這兩個功能接合在一起吧！
完整程式碼「08.combine」如下：
我們將以避障功能作為車子移動中，判斷停止的最優先，只要前方在設定的距離內有障礙存在，就下達停止的指令，否則車子繼續循線移動。
首先，我們將看起來較為複雜的循線程式碼，包成副程式「line_following」，方便之後取用。
接下來就像撰寫避障自走車一樣，當前方沒有障礙物時，就下達循線指令，若是遇到障礙物，則自走車停止。
完整程式流程大致上分為二個步驟：
第一步：匯入程式庫並完成相關設定。
第二步：不停讀取感測器數值，並以超音波的讀值為優先，控制自走車停止或繼續循線。
將程式燒錄到 Arduino 後，接上電池試試看，觀察自走車是否如程式撰寫般移動。
五、結語
綜合上述八種範例程式，大家是不是已經會使用 C++ 來控制自走車了呢？其實只要知道原理與操作方法，用 Arduino IDE 編輯程式並不會太複雜。相較於圖形化語言，雖然使用上較不直覺，且需要多加練習並熟悉語法。但就擴充的彈性，以及撰寫的自由度而言，用Arduino IDE 可說是相當地方便。
除了循線與避障，自走車也能外接其他感測器，進而衍生不同的主題。至於還可以製作出什麼樣不同的內容，就留給大家發揮創意，自行嘗試，我們自走車的教學就到這邊結束，期待下一篇文章再與大家分享更多的內容喔！
