LabVIEW Arduino無線藍(lán)牙遙控智能車（項(xiàng)目篇—2）

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項(xiàng)目概述

智能小車是以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，又被稱為輪式機(jī)器人。由于具有智能化的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于不適合人類工作的環(huán)境中，例如災(zāi)難救援、戶外探險(xiǎn)等。智能小車有別于遙控小車，因?yàn)楹笳咝枰僮魅藛T來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和前進(jìn)后退，以及控制其速度，常見的模型小車，都屬于這類遙控車。智能小車，則可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無須人工干預(yù)，也可以通過修改智能小車的程序來改變它的行駛方式。

智能小車的典型特點(diǎn)有：

1、擁有至少一個(gè)微控制器，通過微控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛方向、啟停和速度的控制。

2、擁有多個(gè)各種功能的傳感器，以獲取外界環(huán)境的情況，以供控制器做出準(zhǔn)確的決策。

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項(xiàng)目架構(gòu)

本節(jié)將要介紹一種基于Arduino與LabVIEW的無線遙控智能小車，可以實(shí)現(xiàn)自主（巡線和避障）與遙控兩種功能，并且可以在兩種功能之間進(jìn)行切換。智能小車采用Arduino作為控制核心，上位機(jī)軟件采用LabVIEW，兩者通過APC220無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無線通信。無線遙控智能小車總體框圖如下圖所示：

智能小車的車體采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)萬向輪的三輪式小車模型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用VNH2SP30模塊，循跡傳感器采用OPENJUMPER紅外巡線傳感器OJ-CG307，避障傳感器采用OPENJUMPER紅外避障傳感器OJ-CG303。

智能小車的巡線場(chǎng)地為白底黑線，線寬約10mm，場(chǎng)地大小約為200cm×300cm。

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傳感器和控制器

3.1、傳感器

本節(jié)介紹的無線遙控智能小車，可以實(shí)現(xiàn)自主與遙控兩種功能，并且可以在兩種功能之間進(jìn)行切換。當(dāng)小車處于遙控狀態(tài)時(shí)，操作者通過操作LabVIEW上位機(jī)軟件，利用APC220串口無線模塊向小車上的Arduino控制器發(fā)送遙控指令，從而使小車做出指定的行為動(dòng)作。而當(dāng)小車處于自主狀態(tài)時(shí)候，小車上的Arduino控制器通過四個(gè)紅外巡線傳感器和一個(gè)紅外避障傳感器獲取小車相對(duì)于黑線的位置和前面是否有障礙物的信號(hào)，并根據(jù)程序中設(shè)置的邏輯來控制直流減速電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)巡線和避障的功能。

紅外巡線傳感器模塊是利用紅外對(duì)管檢測(cè)模塊本身發(fā)出的紅外線的反射光（深色反射弱，淺色反射強(qiáng)），來為循跡機(jī)器人提供白線或者黑線的跟蹤，既可以檢測(cè)白底中的黑線，也可以檢測(cè)黑底中的白線，若檢測(cè)到白線則輸出高電平，若檢測(cè)到黑線則輸出低電平。

紅外避障傳感器****紅外線并根據(jù)反射回來的紅外光判斷前方是否存在障礙物，無障礙物時(shí)輸出高電平，有障礙時(shí)輸出低電平，在信號(hào)輸出同時(shí)有指示燈指示狀態(tài)，無障礙物時(shí)LED為綠，有障礙物時(shí)為紅。同時(shí)內(nèi)置38kHz的信號(hào)發(fā)生器，抗干擾能力強(qiáng)。通過調(diào)節(jié)模塊上的2KΩ電位器，可以調(diào)節(jié)傳感器的探測(cè)距離。

紅外巡線傳感器模塊如下圖所示：

紅外避障傳感器模塊如下圖所示：

3.2、控制器

一般情況下，直流電機(jī)需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，而像Arduino之類的控制器輸出的邏輯電平無法直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，特別是大功率的減速電機(jī)，所以就需要通過驅(qū)動(dòng)器件給直流電機(jī)提供工作電流。

Arduino愛好者常用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要有L298模塊和VNH2SP30模塊。

L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊價(jià)格較為便宜，而且單個(gè)L298芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，所以在Arduino愛好者制作機(jī)器人小車時(shí)使用較多，但是其轉(zhuǎn)化效率較低，發(fā)熱量較大，不適合驅(qū)動(dòng)大電流直流電機(jī)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)大電流電機(jī)時(shí)容易發(fā)生芯片"假死"等故障。

VNH2SP30模塊具有驅(qū)動(dòng)電流大、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)但是單個(gè)VNH2SP30芯片只能驅(qū)動(dòng)一路直流電機(jī)，如果驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)則需要兩個(gè)VNH2SP30芯片。 

為了使得遙控智能小車具有良好的動(dòng)力系統(tǒng)，具有一定的載重能力，此處選用直流減速電機(jī)作為整個(gè)遙控智能小車的動(dòng)力來源，并選用顆粒輪胎，以提高抓地能力。

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硬件環(huán)境

將兩個(gè)直流減速電機(jī)的兩端分別接至VNH2SP30電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B，無正負(fù)極和電機(jī)轉(zhuǎn)向之分。若電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，則在調(diào)試過程中將電機(jī)的連接線對(duì)調(diào)連接。將VNH2SP30電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的+5V (IN）、GND分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供工作電壓。

將VNH2SP30電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的1INA、1INB、1PWM分別接至Arduino Uno控制板上的數(shù)字端口D7、D6、D5，為電機(jī)1提供轉(zhuǎn)向和調(diào)速控制信號(hào);將VNH2SP30電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的2INA、2INB、2PWM分別接至Arduino Uno控制板上的數(shù)字端口D4、D2、D3，為電機(jī)2提供轉(zhuǎn)向和調(diào)速控制信號(hào)。需要注意的是，1PWM和2PWM需要接在具有模擬輸出（PWM）功能的數(shù)字端口。

Arduino控制器與驅(qū)動(dòng)及電機(jī)部分的硬件連接，如下圖所示：

將一個(gè)APC220模塊與Arduino Uno控制板相連接，連接方式如下：

APC220 TXD→Arduino Uno控制板RXD，APC220 RXD→Arduino Uno控制板TXD，APC220 VCC→Arduino Uno控制板5V，APC220 GND→Arduino Uno控制板GND。

將另一塊APC220模塊通過FT232RL轉(zhuǎn)接板相連接，連接方式如下：

APC220 TXD→FT232RL轉(zhuǎn)接板RXD，APC220 RXD→FT232RL轉(zhuǎn)接板TXD，APC220 VCC→FT232RL轉(zhuǎn)接板5V，APC220 GND→FT232RL轉(zhuǎn)接板GND。

將四個(gè)紅外巡線傳感器依次連接至Arduino Uno控制板的數(shù)字端口D8、D9、D10、D11，并在將紅外巡線傳感器安裝至智能小車底盤時(shí)，對(duì)應(yīng)于左2、左1、右1和右2。將紅外避障傳感器連接至Arduino Uno控制板的數(shù)字端口D12，并將其安裝在小車車頭的前端。

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Arduino功能設(shè)計(jì)

4個(gè)紅外巡線傳感器在智能小車底盤上的安裝示意圖如下圖所示：

初始狀態(tài)為黑線位于左1和右1傳感器之間，表明小車處于黑線中間部分；當(dāng)左1傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，表明小車相對(duì)于黑線略微偏向右側(cè)，需要小幅度左轉(zhuǎn)以修正偏差；當(dāng)左2傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，表明小車相對(duì)于黑線偏向右側(cè)較多，需要大幅度左轉(zhuǎn)以修正偏差；當(dāng)右1傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，表明小車相對(duì)于黑線略微偏向左側(cè)，需要小幅度右轉(zhuǎn)以修正偏差；當(dāng)右2傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，表明小車相對(duì)于黑線偏向左側(cè)較多，需要大幅度右轉(zhuǎn)以修正偏差。

遙控部分的調(diào)速將速度分為5檔，分別為低速、中低速、中速、中高速和高速，通過VNH2SP30電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)在五檔之間切換與調(diào)速。

Arduino Uno控制器程序代碼如下所示：

#define forward_command   0x00   //前進(jìn)命令#define back_command      0x10   //后退命令#define left_command       0x20   //左轉(zhuǎn)命令#define right_command      0x30   //右轉(zhuǎn)命令#define stop_command      0x40   //停止命令 #define speed_1           0x50   //低速命令#define speed_2           0x60   //中低速命令#define speed_3           0x70   //中速命令#define speed_4           0x80   //中高速命令#define speed_5           0x90   //高速命令 byte comdata[3]={0};   //定義數(shù)組數(shù)據(jù)，用于存放串口命令數(shù)據(jù)int flag = 0;           //遙控/自動(dòng)標(biāo)志位，默認(rèn)為遙控模式 int INA1 = 7;int INB1 = 6;int PWM1 = 5;      //定義電機(jī)1的轉(zhuǎn)向和速度的控制引腳int INA2 = 4;int INB2 = 2;int PWM2 = 3;      //定義電機(jī)2的轉(zhuǎn)向和速度的控制引腳 int Trace_sensor_X1=8;int Trace_sensor_X2=9;int Trace_sensor_Y1=10;int Trace_sensor_Y2=11;      //定義四個(gè)紅外循跡傳感器的引腳int Avoidance_sensor=12;     //定義紅外避障傳感器的引腳 void receive_data(void);      //接收串口命令數(shù)據(jù)void test_do_data(void);      //測(cè)試串口命令數(shù)據(jù)是否正確，并執(zhí)行命令 void forward(void);        //前進(jìn)子函數(shù)void back(void);           //后退子函數(shù)void turn_Left(void);        //左轉(zhuǎn)子函數(shù)void turn_Right(void);       //右轉(zhuǎn)子函數(shù)void stop_car(void);             //停止子函數(shù) void Automatic_mode(void);      //自動(dòng)模式子函數(shù) void setup(){  Serial.begin(9600);             //初始化串口波特率為9600  pinMode(INA1, OUTPUT);  pinMode(INB1, OUTPUT);  pinMode(PWM1, OUTPUT);      //設(shè)置電機(jī)1的控制引腳為輸出狀態(tài)  pinMode(INA2, OUTPUT);  pinMode(INB2, OUTPUT);  pinMode(PWM2, OUTPUT);      //設(shè)置電機(jī)2的控制引腳為輸出狀態(tài)   pinMode(Trace_sensor_X1, INPUT);  pinMode(Trace_sensor_X2, INPUT);  pinMode(Trace_sensor_Y1, INPUT);  pinMode(Trace_sensor_Y2, INPUT); //設(shè)置紅外循跡傳感器的控制引腳為輸入狀態(tài)  pinMode(Avoidance_sensor,INPUT); //設(shè)置紅外避障傳感器的控制引腳為輸入狀態(tài)   analogWrite(PWM1,150); //left motor  analogWrite(PWM2,150); //ringt motor    //將電機(jī)速度設(shè)置為中速檔位} void loop(){  if (Serial.available() > 0)      //不斷檢測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)   {        receive_data();            //從串口緩沖區(qū)接收串口命令數(shù)據(jù)        test_do_data();            //測(cè)試串口命令數(shù)據(jù)是否正確并執(zhí)行命令   }   if(flag==1)            //判斷是否為自動(dòng)模式狀態(tài)   {   Automatic_mode();                 //執(zhí)行自動(dòng)模式  analogWrite(PWM1,150); //left motor   analogWrite(PWM2,150); //ringt motor     //將電機(jī)速度切換至中速檔位   }} void receive_data(void)   //從串口緩沖區(qū)接收串口命令數(shù)據(jù){   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   //命令長(zhǎng)度為3個(gè)字節(jié)，每次讀取3個(gè)字節(jié)   {      comdata[i] =Serial.read();   //讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)      //延時(shí)一會(huì)，讓串口緩存準(zhǔn)備好下一個(gè)字節(jié)，不延時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，       delay(2);   }} void test_do_data(void)      //測(cè)試串口命令數(shù)據(jù)是否正確并執(zhí)行命令{  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55為命令幀頭，判斷幀頭是否正確   {     if(comdata[1] == 0xAA)        //0xAA為遙控模式命令     {  flag=0;               //切換至遙控模式         switch (comdata[2])         //匹配遙控模式中的具體命令          {            case forward_command:      //前進(jìn)命令                 forward();                 break;            case back_command:         //后退命令           back();                 break ;            case left_command:          //左轉(zhuǎn)命令           turn_Left();                 break ;            case right_command:         //右轉(zhuǎn)命令           turn_Right();                 break ;            case stop_command:         //停止命令           stop_car();                 break ;      case speed_1:               //低速命令           analogWrite(PWM1,50);           analogWrite(PWM2,50);                   break;            case speed_2:                //右轉(zhuǎn)命令           analogWrite(PWM1,100);            analogWrite(PWM2,100);                  break ;            case speed_3:                //右轉(zhuǎn)命令     analogWrite(PWM1,150);      analogWrite(PWM2,150);                  break ;            case speed_4:                //右轉(zhuǎn)命令     analogWrite(PWM1,200);      analogWrite(PWM2,200);                  break ;      case speed_5:                //右轉(zhuǎn)命令           analogWrite(PWM1,250);     analogWrite(PWM2,250);                  break ;          }                    }      if(comdata[1] == 0xFF)        //0xFF為自主模式命令      {        flag=1;               //切換至自主模式        comdata[2] = 0;               //清空命令數(shù)據(jù)      }   }} void Automatic_mode(void)     //自主模式，循跡和避障{  int State_value=0;  if(digitalRead(Avoidance_sensor)==0)   //避障功能，有障礙物則后退左轉(zhuǎn)  {    back();    delay(1000);    turn_Left();    delay(500);  }  //讀取紅外循跡傳感器組的狀態(tài)  State_value=digitalRead(Trace_sensor_X2)*8+digitalRead(Trace_sensor_X1)*4+digitalRead(Trace_sensor_Y1)*2+digitalRead(Trace_sensor_Y2);  switch (State_value)     //匹配狀態(tài)，并調(diào)整位置         {            case 8:               //大幅度偏左，大角度右轉(zhuǎn)    turn_Right();    delay(200);                   break;            case 4:               //小幅度偏左，小角度右轉(zhuǎn)    turn_Right();          delay(100);                   break ;            case 2:               //小幅度偏右，小角度左轉(zhuǎn)    turn_Left();    delay(100);                   break ;            case 1:               //大幅度偏右，大角度左轉(zhuǎn)    turn_Left();    delay(200);                   break ;            default:               //其他狀態(tài)，前進(jìn)    forward();    break;          }    } void forward(void)    //前進(jìn){  digitalWrite(INA1, LOW);   digitalWrite(INB1, HIGH);   digitalWrite(INA2, LOW);   digitalWrite(INB2, HIGH); }void back(void)    //后退{(lán)  digitalWrite(INA1, HIGH);   digitalWrite(INB1, LOW);   digitalWrite(INA2, HIGH);   digitalWrite(INB2, LOW); }void turn_Left(void)    //左轉(zhuǎn){  digitalWrite(INA1, LOW);   digitalWrite(INB1, HIGH);   digitalWrite(INA2, HIGH);   digitalWrite(INB2, LOW); }void turn_Right(void)    //右轉(zhuǎn){  digitalWrite(INA1, HIGH);   digitalWrite(INB1, LOW);   digitalWrite(INA2, LOW);   digitalWrite(INB2, HIGH); }void stop_car(void)    //停止{  digitalWrite(INA1, LOW);   digitalWrite(INB1, LOW);   digitalWrite(INA2, LOW);   digitalWrite(INB2, LOW); }

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LabVIEW功能設(shè)計(jì)

LabVIEW上位機(jī)部分需要完成以下功能：

1、當(dāng)從遙控狀態(tài)切換至自主狀態(tài)時(shí)，向下位機(jī)Arduino控制器發(fā)送自主狀態(tài)命令，Arduino控制器通過讀取紅外巡線傳感器和紅外避障傳感器，以實(shí)現(xiàn)巡線和避障的功能。

2、當(dāng)從自主狀態(tài)切換至遙控狀態(tài)時(shí)，向下位機(jī)Arduino控制器發(fā)送遙控狀態(tài)命令，Arduino控制器通過讀取LabVIEW軟件發(fā)來的操作命令，并實(shí)現(xiàn)指定的動(dòng)作和行為，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和調(diào)速。

6.1、前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW前面板分為遙控模式和模式切換兩個(gè)部分，遙控模式部分用于控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和調(diào)速;模式選擇部分用于切換遙控模式和自主模式。

無線遙控智能小車的LabVIEW上位機(jī)前面板，如下圖所示：

6.2、程序框圖設(shè)計(jì)

LabVIEW上位機(jī)主程序的結(jié)構(gòu)為順序結(jié)構(gòu)+While循環(huán)+事件結(jié)構(gòu)。首先，通過設(shè)置的串口號(hào)來初始化串口通信;然后，程序進(jìn)入While循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)，不斷地檢測(cè)是否有事件得到響應(yīng)并執(zhí)行;事件結(jié)構(gòu)有“模式選項(xiàng)"、“前進(jìn)”、“后退”、“左轉(zhuǎn)"、“右轉(zhuǎn)"、“停止"和“"調(diào)速"。最后，關(guān)閉串口通信。在程序框圖中，我們需要對(duì)串口進(jìn)行配置，并將根據(jù)不同的按鍵按下通過串口發(fā)出不同的命令，下位機(jī)Arduino Uno收到串口收據(jù)，解析出其中的命令代碼后執(zhí)行相應(yīng)的命令。

為了更好地實(shí)現(xiàn)通信，制定如下的通信協(xié)議：幀頭+命令碼+操作碼。0x55為幀頭，0xAA為遙控命令，0xFF為自主命令，遙控命令的操作碼：0x00為前進(jìn)，0x10為后退，0x20為左轉(zhuǎn)，0x30為右轉(zhuǎn)，0x40為停止，0x50為速度檔1，0x60為速度檔2，0x70為速度檔3，0x80為速度檔4，0x90為速度檔5。

在“模式選項(xiàng)”事件中，通過讀取當(dāng)前選擇的模式，向Arduino控制器分別發(fā)送0x55AA和Ox55FF，分別表示切換至遙控模式和自主模式?！澳Ｊ竭x項(xiàng)”值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“前進(jìn)"事件中，通過串口向Arduino控制器發(fā)送0x55AA00，Arduino控制器將兩個(gè)直流減速電機(jī)均設(shè)置為前進(jìn)方向?！扒斑M(jìn)"值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“后退"事件中，通過串口向Arduino控制器發(fā)送0x55AA10，Arduino控制器將兩個(gè)直流減速電機(jī)均設(shè)置為后退方向?！昂笸?quot;值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“左轉(zhuǎn)"事件中，通過串口向Arduino控制器發(fā)送0x55AA20，Arduino控制器將右側(cè)電機(jī)設(shè)置為前進(jìn)方向、左側(cè)電機(jī)設(shè)置為后退方向，從而實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)?！白筠D(zhuǎn)"值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“右轉(zhuǎn)”事件中，通過串口向Arduino控制器發(fā)送0x55AA30，Arduino控制器將右側(cè)電機(jī)設(shè)置為后退方向、左側(cè)電機(jī)設(shè)置為前進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)?！坝肄D(zhuǎn)"值改變事件程序框圖如下圖所示：

均在“停止"事件中，通過串口向Arduino控制器發(fā)送0x55AA40，Arduino控制器將左、右兩個(gè)電機(jī)均設(shè)置為停止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)小車的停止?！巴Ｖ?quot;值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“速度檔位"值改變事件中，通過讀取當(dāng)前選擇的速度檔位，向Arduino控制器分別發(fā)送0x55AA50、0x55AA60、0x55AA70、0x55AA80、0x55AA90，分別表示低速、中低速、中速、中高速和高速?！八俣葯n位"值改變事件的程序框圖如下圖所示：