LabVIEW Arduino无线蓝牙遥控智能车（项目篇—2）
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2022-08-02 21:12
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项目概述
智能小车是以轮子作为移动机构，并且能够实现自主行驶的机器人，又被称为轮式机器人。由于具有智能化的特点，可以应用于不适合人类工作的环境中，例如灾难救援、户外探险等。智能小车有别于遥控小车，因为后者需要操作人员来控制其转向、启停和前进后退，以及控制其速度，常见的模型小车，都属于这类遥控车。智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无须人工干预，也可以通过修改智能小车的程序来改变它的行驶方式。
智能小车的典型特点有：
1、拥有至少一个微控制器，通过微控制器来实现对行驶方向、启停和速度的控制。
2、拥有多个各种功能的传感器，以获取外界环境的情况，以供控制器做出准确的决策。
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项目架构
本节将要介绍一种基于Arduino与LabVIEW的无线遥控智能小车，可以实现自主（巡线和避障）与遥控两种功能，并且可以在两种功能之间进行切换。智能小车采用Arduino作为控制核心，上位机软件采用LabVIEW，两者通过APC220无线数传模块实现无线通信。无线遥控智能小车总体框图如下图所示：
智能小车的车体采用两个驱动轮、一个万向轮的三轮式小车模型，驱动电机采用直流减速电机，电机驱动模块采用VNH2SP30模块，循迹传感器采用OPENJUMPER红外巡线传感器OJ-CG307，避障传感器采用OPENJUMPER红外避障传感器OJ-CG303。
智能小车的巡线场地为白底黑线，线宽约10mm，场地大小约为200cm×300cm。
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传感器和控制器
3.1、传感器
本节介绍的无线遥控智能小车，可以实现自主与遥控两种功能，并且可以在两种功能之间进行切换。当小车处于遥控状态时，操作者通过操作LabVIEW上位机软件，利用APC220串口无线模块向小车上的Arduino控制器发送遥控指令，从而使小车做出指定的行为动作。而当小车处于自主状态时候，小车上的Arduino控制器通过四个红外巡线传感器和一个红外避障传感器获取小车相对于黑线的位置和前面是否有障碍物的信号，并根据程序中设置的逻辑来控制直流减速电机，以实现巡线和避障的功能。
红外巡线传感器模块是利用红外对管检测模块本身发出的红外线的反射光（深色反射弱，浅色反射强），来为循迹机器人提供白线或者黑线的跟踪，既可以检测白底中的黑线，也可以检测黑底中的白线，若检测到白线则输出高电平，若检测到黑线则输出低电平。
红外避障传感器发射红外线并根据反射回来的红外光判断前方是否存在障碍物，无障碍物时输出高电平，有障碍时输出低电平，在信号输出同时有指示灯指示状态，无障碍物时LED为绿，有障碍物时为红。同时内置38kHz的信号发生器，抗干扰能力强。通过调节模块上的2KΩ电位器，可以调节传感器的探测距离。
红外巡线传感器模块如下图所示：
红外避障传感器模块如下图所示：
3.2、控制器
一般情况下，直流电机需要很大的驱动电流，而像Arduino之类的控制器输出的逻辑电平无法直接驱动直流电机，特别是大功率的减速电机，所以就需要通过驱动器件给直流电机提供工作电流。
Arduino爱好者常用的直流电机驱动模块主要有L298模块和VNH2SP30模块。
L298电机驱动模块价格较为便宜，而且单个L298芯片可以同时驱动两路直流电机，所以在Arduino爱好者制作机器人小车时使用较多，但是其转化效率较低，发热量较大，不适合驱动大电流直流电机，当驱动大电流电机时容易发生芯片"假死"等故障。
VNH2SP30模块具有驱动电流大、转换效率高等优点但是单个VNH2SP30芯片只能驱动一路直流电机，如果驱动两路直流电机则需要两个VNH2SP30芯片。
为了使得遥控智能小车具有良好的动力系统，具有一定的载重能力，此处选用直流减速电机作为整个遥控智能小车的动力来源，并选用颗粒轮胎，以提高抓地能力。
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硬件环境
将两个直流减速电机的两端分别接至VNH2SP30电机驱动模块上的OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B，无正负极和电机转向之分。若电机转向相反，则在调试过程中将电机的连接线对调连接。将VNH2SP30电机驱动模块的+5V (IN）、GND分别接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND，为电机驱动模块提供工作电压。
将VNH2SP30电机驱动模块的1INA、1INB、1PWM分别接至Arduino Uno控制板上的数字端口D7、D6、D5，为电机1提供转向和调速控制信号;将VNH2SP30电机驱动模块的2INA、2INB、2PWM分别接至Arduino Uno控制板上的数字端口D4、D2、D3，为电机2提供转向和调速控制信号。需要注意的是，1PWM和2PWM需要接在具有模拟输出（PWM）功能的数字端口。
Arduino控制器与驱动及电机部分的硬件连接，如下图所示：
将一个APC220模块与Arduino Uno控制板相连接，连接方式如下：
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。
将另一块APC220模块通过FT232RL转接板相连接，连接方式如下：
APC220 TXD→FT232RL转接板RXD，APC220 RXD→FT232RL转接板TXD，APC220 VCC→FT232RL转接板5V，APC220 GND→FT232RL转接板GND。
将四个红外巡线传感器依次连接至Arduino Uno控制板的数字端口D8、D9、D10、D11，并在将红外巡线传感器安装至智能小车底盘时，对应于左2、左1、右1和右2。将红外避障传感器连接至Arduino Uno控制板的数字端口D12，并将其安装在小车车头的前端。
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Arduino功能设计
4个红外巡线传感器在智能小车底盘上的安装示意图如下图所示：
初始状态为黑线位于左1和右1传感器之间，表明小车处于黑线中间部分；当左1传感器检测到黑线时，表明小车相对于黑线略微偏向右侧，需要小幅度左转以修正偏差；当左2传感器检测到黑线时，表明小车相对于黑线偏向右侧较多，需要大幅度左转以修正偏差；当右1传感器检测到黑线时，表明小车相对于黑线略微偏向左侧，需要小幅度右转以修正偏差；当右2传感器检测到黑线时，表明小车相对于黑线偏向左侧较多，需要大幅度右转以修正偏差。
遥控部分的调速将速度分为5档，分别为低速、中低速、中速、中高速和高速，通过VNH2SP30电机驱动模块的PWM输入信号实现在五档之间切换与调速。
Arduino Uno控制器程序代码如下所示：
byte comdata[3]={0}; //定义数组数据，用于存放串口命令数据int flag = 0; //遥控/自动标志位，默认为遥控模式int INA1 = 7;int INB1 = 6;int PWM1 = 5; //定义电机1的转向和速度的控制引脚int INA2 = 4;int INB2 = 2;int PWM2 = 3; //定义电机2的转向和速度的控制引脚int Trace_sensor_X1=8;int Trace_sensor_X2=9;int Trace_sensor_Y1=10;int Trace_sensor_Y2=11; //定义四个红外循迹传感器的引脚int Avoidance_sensor=12; //定义红外避障传感器的引脚void receive_data(void); //接收串口命令数据void test_do_data(void); //测试串口命令数据是否正确，并执行命令void forward(void); //前进子函数void back(void); //后退子函数void turn_Left(void); //左转子函数void turn_Right(void); //右转子函数void stop_car(void); //停止子函数void Automatic_mode(void); //自动模式子函数void setup(){Serial.begin(9600); //初始化串口波特率为9600pinMode(INA1, OUTPUT);pinMode(INB1, OUTPUT);pinMode(PWM1, OUTPUT); //设置电机1的控制引脚为输出状态pinMode(INA2, OUTPUT);pinMode(INB2, OUTPUT);pinMode(PWM2, OUTPUT); //设置电机2的控制引脚为输出状态pinMode(Trace_sensor_X1, INPUT);pinMode(Trace_sensor_X2, INPUT);pinMode(Trace_sensor_Y1, INPUT);pinMode(Trace_sensor_Y2, INPUT); //设置红外循迹传感器的控制引脚为输入状态pinMode(Avoidance_sensor,INPUT); //设置红外避障传感器的控制引脚为输入状态analogWrite(PWM1,150); //left motoranalogWrite(PWM2,150); //ringt motor //将电机速度设置为中速档位}void loop(){if (Serial.available() > 0) //不断检测串口是否有数据{receive_data(); //从串口缓冲区接收串口命令数据test_do_data(); //测试串口命令数据是否正确并执行命令}if(flag==1) //判断是否为自动模式状态{Automatic_mode(); //执行自动模式analogWrite(PWM1,150); //left motoranalogWrite(PWM2,150); //ringt motor //将电机速度切换至中速档位}}void receive_data(void) //从串口缓冲区接收串口命令数据{int i ;for(i=0;i<3;i++) //命令长度为3个字节，每次读取3个字节{comdata[i] =Serial.read(); //读取一个字节的数据//延时一会，让串口缓存准备好下一个字节，不延时可能会导致数据丢失，delay(2);}}void test_do_data(void) //测试串口命令数据是否正确并执行命令{if(comdata[0] == 0x55) //0x55为命令帧头，判断帧头是否正确{if(comdata[1] == 0xAA) //0xAA为遥控模式命令{flag=0; //切换至遥控模式switch (comdata[2]) //匹配遥控模式中的具体命令{case forward_command: //前进命令forward();break;case back_command: //后退命令back();break ;case left_command: //左转命令turn_Left();break ;case right_command: //右转命令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: //右转命令analogWrite(PWM1,100);analogWrite(PWM2,100);break ;case speed_3: //右转命令analogWrite(PWM1,150);analogWrite(PWM2,150);break ;case speed_4: //右转命令analogWrite(PWM1,200);analogWrite(PWM2,200);break ;case speed_5: //右转命令analogWrite(PWM1,250);analogWrite(PWM2,250);break ;}}if(comdata[1] == 0xFF) //0xFF为自主模式命令{flag=1; //切换至自主模式comdata[2] = 0; //清空命令数据}}}void Automatic_mode(void) //自主模式，循迹和避障{int State_value=0;if(digitalRead(Avoidance_sensor)==0) //避障功能，有障碍物则后退左转{back();delay(1000);turn_Left();delay(500);}//读取红外循迹传感器组的状态State_value=digitalRead(Trace_sensor_X2)*8+digitalRead(Trace_sensor_X1)*4+digitalRead(Trace_sensor_Y1)*2+digitalRead(Trace_sensor_Y2);switch (State_value) //匹配状态，并调整位置{case 8: //大幅度偏左，大角度右转turn_Right();delay(200);break;case 4: //小幅度偏左，小角度右转turn_Right();delay(100);break ;case 2: //小幅度偏右，小角度左转turn_Left();delay(100);break ;case 1: //大幅度偏右，大角度左转turn_Left();delay(200);break ;default: //其他状态，前进forward();break;}}void forward(void) //前进{digitalWrite(INA1, LOW);digitalWrite(INB1, HIGH);digitalWrite(INA2, LOW);digitalWrite(INB2, HIGH);}void back(void) //后退{digitalWrite(INA1, HIGH);digitalWrite(INB1, LOW);digitalWrite(INA2, HIGH);digitalWrite(INB2, LOW);}void turn_Left(void) //左转{digitalWrite(INA1, LOW);digitalWrite(INB1, HIGH);digitalWrite(INA2, HIGH);digitalWrite(INB2, LOW);}void turn_Right(void) //右转{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功能设计
LabVIEW上位机部分需要完成以下功能：
1、当从遥控状态切换至自主状态时，向下位机Arduino控制器发送自主状态命令，Arduino控制器通过读取红外巡线传感器和红外避障传感器，以实现巡线和避障的功能。
2、当从自主状态切换至遥控状态时，向下位机Arduino控制器发送遥控状态命令，Arduino控制器通过读取LabVIEW软件发来的操作命令，并实现指定的动作和行为，包括前进、后退、左转、右转、停止和调速。
6.1、前面板设计
LabVIEW前面板分为遥控模式和模式切换两个部分，遥控模式部分用于控制小车的运行状态，包括前进、后退、左转、右转、停止和调速;模式选择部分用于切换遥控模式和自主模式。
无线遥控智能小车的LabVIEW上位机前面板，如下图所示：
6.2、程序框图设计
LabVIEW上位机主程序的结构为顺序结构+While循环+事件结构。首先，通过设置的串口号来初始化串口通信;然后，程序进入While循环和事件结构，不断地检测是否有事件得到响应并执行;事件结构有“模式选项"、“前进”、“后退”、“左转"、“右转"、“停止"和“"调速"。最后，关闭串口通信。在程序框图中，我们需要对串口进行配置，并将根据不同的按键按下通过串口发出不同的命令，下位机Arduino Uno收到串口收据，解析出其中的命令代码后执行相应的命令。
为了更好地实现通信，制定如下的通信协议：帧头+命令码+操作码。0x55为帧头，0xAA为遥控命令，0xFF为自主命令，遥控命令的操作码：0x00为前进，0x10为后退，0x20为左转，0x30为右转，0x40为停止，0x50为速度档1，0x60为速度档2，0x70为速度档3，0x80为速度档4，0x90为速度档5。
在“模式选项”事件中，通过读取当前选择的模式，向Arduino控制器分别发送0x55AA和Ox55FF，分别表示切换至遥控模式和自主模式。“模式选项”值改变事件程序框图如下图所示：
在“前进"事件中，通过串口向Arduino控制器发送0x55AA00，Arduino控制器将两个直流减速电机均设置为前进方向。“前进"值改变事件程序框图如下图所示：
在“后退"事件中，通过串口向Arduino控制器发送0x55AA10，Arduino控制器将两个直流减速电机均设置为后退方向。“后退"值改变事件程序框图如下图所示：
在“左转"事件中，通过串口向Arduino控制器发送0x55AA20，Arduino控制器将右侧电机设置为前进方向、左侧电机设置为后退方向，从而实现左转。“左转"值改变事件程序框图如下图所示：
在“右转”事件中，通过串口向Arduino控制器发送0x55AA30，Arduino控制器将右侧电机设置为后退方向、左侧电机设置为前进方向，从而实现右转。“右转"值改变事件程序框图如下图所示：
均在“停止"事件中，通过串口向Arduino控制器发送0x55AA40，Arduino控制器将左、右两个电机均设置为停止状态，从而实现小车的停止。“停止"值改变事件程序框图如下图所示：
在“速度档位"值改变事件中，通过读取当前选择的速度档位，向Arduino控制器分别发送0x55AA50、0x55AA60、0x55AA70、0x55AA80、0x55AA90，分别表示低速、中低速、中速、中高速和高速。“速度档位"值改变事件的程序框图如下图所示：
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