【編者按】本文的作者是宜昌城老張，轉(zhuǎn)載于他的個(gè)人博客。在這篇文章里面，他向我們介紹如何通過LabVIEW和Arduino、超聲波傳感器等設(shè)備來制作一款可以智能躲避障礙的小車。

實(shí)驗(yàn)使用上位機(jī)軟件LabVIEW對以Arduino作為下位機(jī)的MakeBlock智能小車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用URM37V3.2超聲波測距傳感器實(shí)時(shí)測量小車在行駛的過程中與前方障礙物的距離，Arduino將檢測到的測距信息轉(zhuǎn)換為實(shí)際的距離值。在Arduino中實(shí)現(xiàn)避障算法，當(dāng)MakeBlock小車與障礙物的距離小于設(shè)定值時(shí)，小車實(shí)施避障方案，從而躲避障礙物。同時(shí)，Arduino將檢測到的距離信息發(fā)送給上位機(jī)LabVIEW。

這次實(shí)驗(yàn)的避障算法是在下位機(jī)Arduino中完成，而不是在遠(yuǎn)端的PC機(jī)完成避障算法。上位機(jī)的LabVIEW界面只是對小車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。如果想了解如何用遠(yuǎn)端的上位PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)對智能車的無線避障遙控，可參見文章《基于LabVIEW測控的MakeBlock智能車避障控制》。

MakeBlock金屬智能車避障視頻：

在本文的實(shí)驗(yàn)中，XBee模塊與Arduino之間通過串行接口（即Tx和Rx引腳）進(jìn)行通信。本文使用點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸方式，通過串行接口向XBee模塊寫入命令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；當(dāng)XBee模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過讀串行接口獲得這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。對于Xbee模塊的使用方法，可詳見博客文章《美國DIGI公司的XBee模塊無線通訊實(shí)驗(yàn)》。

 Xbee模塊與Arduino控制器連接方法

Xbee模塊與PC機(jī)連接方法

一、 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用URM37V3.2超聲波傳感器作為外界環(huán)境信息的采集工具。下面，簡要介紹一下與本次實(shí)驗(yàn)有關(guān)的URM37V3.2超聲波傳感器的一些知識。

URM37V3.2超聲波傳感器是一種多功能的智能傳感器，它可以測量4~500 cm的距離，并且有1cm的分辨率。能夠測量較遠(yuǎn)的距離并且性能穩(wěn)定?？赏ㄟ^脈寬輸出的方式來測量數(shù)據(jù)，也可以使用R232串口通訊，有較好的可靠性。下面兩個(gè)圖分別是URM37V3.2超聲波傳感器的引腳定義、URM37V3.2超聲波傳感器與Arduino的連線圖。

 URM37V3.2超聲波傳感器引腳示意圖

URM37V3.2超聲波傳感器TTL方式串口接線圖

作為一種智能傳感器，該傳感器可以將信號采集、數(shù)字處理和信息傳送融為一體。用戶只需要使用單片機(jī)的TTL電平串口，向傳感器發(fā)出四個(gè)字節(jié)的信息讀取命令：0x22, 0x00, 0x00, 0x22。傳感器接收命令后，會(huì)向單片機(jī)回送四個(gè)字節(jié)的測距信息：0x22, highbyte, lowbyte, sum。這四個(gè)字節(jié)里有兩個(gè)字節(jié)就是16位被測距離信息。如果高位字節(jié)和低位字節(jié)都是 0xFF，這意味著測量無效，超出測量范圍。反之，被測距離就等于高位字節(jié)乘以256再加上低位字節(jié)，實(shí)際距離的單位是厘米。

二、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

為了獲得距離信息，Arduino需要向URM37 V3.2測距傳感器發(fā)送四個(gè)字節(jié)的測距指令，等待超聲波測距傳感器完成測距任務(wù)后，再接受它返回的四個(gè)字節(jié)的距離信息。并按上文的方法轉(zhuǎn)換為實(shí)際的距離值。如果實(shí)測距離大于40cm,小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；反之，小車實(shí)施避障策略，及時(shí)左轉(zhuǎn)，從而躲避障礙物。同時(shí)，Arduino控制器將距離信息通過無線傳輸模塊Xbee發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控的上位機(jī)LabVIEW處理。這里發(fā)送給上位機(jī)處理的有關(guān)距離信息的數(shù)據(jù)前面帶上了標(biāo)識字符“10”，用于上位機(jī)判斷哪個(gè)字節(jié)是有效字符串信息的第一個(gè)字節(jié)。發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)（字符串）格式是:10+距離數(shù)據(jù)高8位+距離數(shù)據(jù)低8位。下位機(jī)Arduino程序的流程圖如圖所示。

基于超聲波傳感器避障的程序流程圖

Arduino程序：

int E_right =5; //連接電機(jī)1的使能端口到數(shù)字接口5
int M_right =4; //連接電機(jī)1的轉(zhuǎn)向端口到數(shù)字接口4
int E_left = 6; //連接電機(jī)2的使能端口到數(shù)字接口6
int M_left=7; //連接電機(jī)2的轉(zhuǎn)向端口到數(shù)字接口5
int velocity1=190; //右電機(jī)速度
int velocity2=250; //左電機(jī)速度
int USValue = 0; //超聲波實(shí)測距離變量
boolean flag=true; //設(shè)置循環(huán)標(biāo)識符并初始化為真
byte DMcmd[4] = {0x22, 0x00, 0x00, 0x22}; //距離命令數(shù)組

void advance() //聲明前進(jìn)子函數(shù)
{
digitalWrite(M_right,HIGH); //右電機(jī)反轉(zhuǎn)
analogWrite(E_right, velocity1); //右電機(jī)速度調(diào)節(jié)
digitalWrite(M_left,LOW); //左電機(jī)正轉(zhuǎn)
analogWrite(E_left, velocity2); //左電機(jī)速度調(diào)節(jié)
}
void back() //聲明后退子函數(shù)

{
digitalWrite(M_right,LOW); //右電機(jī)正轉(zhuǎn)
analogWrite(E_right,velocity1); //右電機(jī)速度調(diào)節(jié)
digitalWrite(M_left,HIGH); //左電機(jī)反轉(zhuǎn)
analogWrite(E_left,velocity2); //左電機(jī)速度調(diào)節(jié)
}
void right()//聲明右轉(zhuǎn)子函數(shù)

{
digitalWrite(M_right,LOW); //右電機(jī)正轉(zhuǎn)
analogWrite(E_right,velocity1); //右電機(jī)速度調(diào)節(jié)
digitalWrite(M_left,LOW); //左電機(jī)正轉(zhuǎn)
analogWrite(E_left,velocity2); //左電機(jī)速度調(diào)節(jié)
}
void left() //聲明左轉(zhuǎn)子函數(shù)

{
digitalWrite(M_right,HIGH); //右電機(jī)反轉(zhuǎn)
analogWrite(E_right,velocity1); //右電機(jī)速度調(diào)節(jié)
digitalWrite(M_left,HIGH); //左電機(jī)反轉(zhuǎn)
analogWrite(E_left,velocity2); //左電機(jī)速度調(diào)節(jié)
}
void Stop() //聲明停止子函數(shù)

{
digitalWrite(E_right, LOW); //右電機(jī)停
digitalWrite(E_left, LOW); //左電機(jī)停
}
void setup()
{
Serial.begin(9600); //串口波特率設(shè)置
pinMode(M_right, OUTPUT); //設(shè)置輸出引腳
pinMode(E_right, OUTPUT);
pinMode(M_left, OUTPUT);
pinMode(E_left, OUTPUT);
delay(20); //延時(shí)20ms
}
void loop( )
{
for(int i=0;i<>
{
Serial.print(DMcmd[i],BYTE); //發(fā)送四個(gè)字節(jié)的超聲波測距命令
}
delay(75); //延時(shí)75ms
while(flag)
{
if(Serial.available()>0) //如果串口有緩存數(shù)據(jù)
{
byte header=Serial.read(); //從測距命令標(biāo)識符0x22開始接收數(shù)據(jù)
byte highbyte=Serial.read(); //距離數(shù)據(jù)高8位
byte lowbyte=Serial.read(); //距離數(shù)據(jù)低8位
byte sum=Serial.read(); //sum為校驗(yàn)和
if(highbyte==255) //如果高位數(shù)據(jù)位255，超出測量范圍，數(shù)據(jù)無效
{
USValue=65525;
}
else
{
USValue = highbyte*256+lowbyte; //計(jì)算實(shí)際距離值
if (USValue <>
{
//如果距離小于40厘米小車左轉(zhuǎn)500ms
left();
delay(500);
}
//相反的情況，小車前進(jìn)
else
advance();
}
Serial.print(10,BYTE); //上傳距離信息的標(biāo)識符
Serial.print(highbyte,BYTE); //上傳距離數(shù)據(jù)高8位
Serial.print(lowbyte,BYTE); //上傳距離數(shù)據(jù)低8位
flag=false; //標(biāo)識符變?yōu)榧?，退出該循環(huán)
}
}
delay(20); // 延時(shí)20ms
}

三、上位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

編寫LabVIEW程序，通過串口讀取下位機(jī)發(fā)送的距離信息，將提取的信息實(shí)時(shí)顯示在LabVIEW的前面板上，就可以實(shí)時(shí)觀察小車的運(yùn)行狀態(tài)。LabVIEW只需要根據(jù)上文Arduino發(fā)送是信息數(shù)據(jù)格式提取相關(guān)的字符串信息即可。下面是LabVIEW程序的程序框圖。（點(diǎn)擊圖片可以看到大圖）

基于超聲波的智能小車避障的LabVIEW程序框圖

LabVIEW程序先讀取一個(gè)標(biāo)識字符，如果讀取的是標(biāo)識字符“10”，程序會(huì)繼續(xù)讀取2個(gè)字節(jié)的字符串。通過“字符串值字節(jié)數(shù)組函數(shù)”將其轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組后，通過“索引數(shù)組”得到距離數(shù)據(jù)高8位和距離數(shù)據(jù)低8位。LabVIEW將字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的實(shí)際距離值。16位的二進(jìn)制距離信息到十進(jìn)制實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換公式是：實(shí)際距離=256*距離數(shù)據(jù)高8位+距離數(shù)據(jù)低8位。

下圖是LabVIEW程序的前面板。在前面板上，可以實(shí)時(shí)觀察到小車運(yùn)行時(shí)是否遇到障礙物。由于超聲波測距傳感器相對實(shí)驗(yàn)的場地來說，有較大的測距范圍。因此，在這里顯示了小車運(yùn)行時(shí)與前方障礙物的實(shí)測距離，并通過一定的微分取導(dǎo)算法，得出了小車運(yùn)行時(shí)的近似速度值，以供參考。

基于超聲波的智能小車避障的LabVIEW前面板

LabVIEW和Arduino程序源文件請下載：http:///QGn6HWbKMUSjp。

四、系統(tǒng)調(diào)試

在LabVIEW的前面板選擇COM4（在實(shí)驗(yàn)中，XBee模塊添加到計(jì)算機(jī)后，所獲得的串口號COM4），并設(shè)置波特率為9600bps。接通智能小車電機(jī)及控制器供電電源。運(yùn)行上位機(jī)LabVIEW程序，通過前面板來觀察小車的運(yùn)行狀態(tài)，與小車實(shí)際避障情況比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LabVIEW前面板讀到的信息與小車實(shí)際運(yùn)行狀況相符，并且裝備超聲波測距傳感器的智能小車可以很好地躲避前方障礙物。

五、總結(jié)

本文采用超聲波測距傳感器檢測小車與前方障礙物的實(shí)際距離，通過與預(yù)先設(shè)定的小車轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)的值進(jìn)行比較，在遇到障礙物時(shí)左轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)避障。實(shí)驗(yàn)中Arduino采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)避障算法，LabVIEW作為上位機(jī)監(jiān)視小車的運(yùn)行狀態(tài)。

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