LabVIEW Arduino 无线蓝牙遥控智能车（项目篇—2）

2022 年 6 月 17 日
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1、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。

2、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：

项目资源下载请参见：LabVIEWArduino无线蓝牙遥控智能车【实战项目】-单片机文档类资源

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。

3、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。

4、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。

5、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：

#define forward_command   0x00   //前进命令#define back_command      0x10   //后退命令#define left_command       0x20   //左转命令#define right_command      0x30   //右转命令#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9600  pinMode(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 motor  analogWrite(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 motor 	analogWrite(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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6、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：

项目资源下载请参见：LabVIEWArduino无线蓝牙遥控智能车【实战项目】-单片机文档类资源

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/4f55e76b561b43b776be5ec5d】。文章转载请联系作者。

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【研究方向】物联网、嵌入式、AI、Python 2018.02.09 加入

嵌入式工程师，创客爱好者，公众号：美男子玩编程，全网粉丝10万+，软著专利10余项。 CSDN博客专家、微软MVP、华为云云享专家、阿里云专家博主、知乎认证科学技术领域答主。

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