3.3 軟件設(shè)計(jì)

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的功能實(shí)現(xiàn)需要Arduino UNO R3主板、驅(qū)動模塊、電源模塊及其他硬件模塊相互配合，統(tǒng)一協(xié)調(diào)。這就需要使用Arduino程序?qū)⒏鱾€模塊連接成一個相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。Arduino UNO R3主板相當(dāng)于小車的大腦。Arduino程序就是這個大腦所擁有的思想，根據(jù)軟件指令，控制各個模塊完成自己的動作，從而最終完成任務(wù)所要求的動作。Arduino程序可以用PC端的Arduino IDE編譯軟件進(jìn)行編寫。

由于Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車采用模塊化多功能設(shè)計(jì)，各個控制系統(tǒng)之間相互獨(dú)立（這是為了不讓小車出現(xiàn)連帶損害，小車不會因?yàn)橐粋€系統(tǒng)故障而影響其他系統(tǒng)的正常工作），因此各個系統(tǒng)的控制程序也是相對獨(dú)立的。模塊化多功能設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，首先是每個模塊的程序結(jié)構(gòu)相對簡單，任務(wù)明確，易于編寫、調(diào)試和修改；其次是程序可讀性好，對特定模塊的程序修改可局部進(jìn)行，不會干擾其他模塊的程序，有利于調(diào)試。另外，對于在程序中高頻率使用的子程序，我們建立了子程序庫，以便于在編寫各個模塊的程序時可以快速調(diào)用。

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的程序主要由無線數(shù)據(jù)傳輸程序、模式識別程序、電動機(jī)驅(qū)動程序、舵機(jī)程序、各種傳感器程序等組成。由控制端向小車的信號接收端發(fā)送指令，信號接收端將信息傳給Arduino UNO R3主板，由Arduino UNO R3主板進(jìn)行解碼，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的子程序。Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的程序總體設(shè)計(jì)圖如圖3.16所示。

1．程序整體結(jié)構(gòu)框架

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的程序由7部分組成。其中，防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)程序由6個傳感器的相應(yīng)程序組成。6個傳感器采集到的信息由Arduino程序進(jìn)行分析處理，發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號，同時將信息經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)回控制端，供指揮員決策。Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車程序整體結(jié)構(gòu)框架如圖3.17所示。

2．程序結(jié)構(gòu)

Arduino語言以setup（）函數(shù)作為程序初始化，以loop（）函數(shù)作為循環(huán)。setup（）函數(shù)用來初始化變量、管腳模式及調(diào)用庫函數(shù)等，在整個程序運(yùn)行過程中只執(zhí)行一次。loop（）函數(shù)是一個循環(huán)函數(shù)，函數(shù)內(nèi)的語句周而復(fù)始地循環(huán)執(zhí)行，功能類似C語言中的main（）函數(shù)。

（1）遙控通信程序的實(shí)現(xiàn)

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車采用Arduino APC 220 USB無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與Arduino開源無線遙控手柄配合進(jìn)行控制。Arduino開源無線遙控手柄的程序主要由初始化函數(shù)setup（）和循環(huán)函數(shù)loop（）組成，首先進(jìn)行按鍵編碼、定義、初始化，然后設(shè)置波特率，與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊建立通信協(xié)議，最后讀取按鍵變化值，并發(fā)送數(shù)據(jù)。Arduino開源無線遙控手柄的程序流程圖如圖3.18所示。

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到由Arduino開源無線遙控手柄發(fā)送的信息后，將信息傳送給Arduino UNO R3主板，由Arduino UNO R3主板判斷所接收到的信號，從而執(zhí)行相應(yīng)的動作。比如，Arduino UNO R3主板解析到接收的信號為djqj（電動機(jī)前進(jìn)），就會控制小車向前移動。其相應(yīng)的程序?yàn)?/p>

（2）電動機(jī)控制程序的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移信號的開環(huán)控制部件。在不超載的情況下，步進(jìn)電動機(jī)的停止位置、轉(zhuǎn)速只取決于輸入電脈沖信號的脈沖數(shù)和頻率，不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個電脈沖信號時，就會驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為步距角）。其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步進(jìn)行的，可以通過控制電脈沖信號的脈沖數(shù)來控制角位移，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時，可以通過控制電脈沖信號的頻率來控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動的加速度和速度，從而達(dá)到改變速度的目的。步進(jìn)電動機(jī)可以作為一種用于控制的特種電動機(jī)，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

Arduino程序通過調(diào)整PWM占空比來控制兩組四個步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即通過改變PWM的占空比來控制步進(jìn)電動機(jī)的供電電壓，從而控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向、切邊轉(zhuǎn)向、中心轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)彎模式。Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動程序流程圖如圖3.19所示。

差速轉(zhuǎn)向是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎時兩側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得內(nèi)側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速大于外側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而完成轉(zhuǎn)彎的。其轉(zhuǎn)彎半徑較大，適用于行進(jìn)過程中及路面較寬闊情況下的轉(zhuǎn)彎。切邊轉(zhuǎn)向是使內(nèi)側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，外側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速大于零，小車依靠外側(cè)履帶完成旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)彎。其轉(zhuǎn)彎半徑介于差速轉(zhuǎn)向與中心轉(zhuǎn)向之間，適用于道路較狹窄時的轉(zhuǎn)彎、變向等。中心轉(zhuǎn)向是使外側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速大于零，內(nèi)側(cè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速小于零，通過外側(cè)前進(jìn)、內(nèi)側(cè)后退的方式在原地完成轉(zhuǎn)彎。其轉(zhuǎn)彎半徑是三種轉(zhuǎn)彎模式中最小的，適用于狹窄地段的方向變更。Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車步進(jìn)電動機(jī)控制程序流程圖如圖3.20所示。

PWM（Pulse Width Modulation）是一種方波控制信號。其高電平的寬度在一個周期里所占的比例被稱為占空比（Duty Cycle）。改變PWM的占空比，可以改變輸出信號的平均電壓。

Arduino UNO R3主板的3、5、6、9、10、11接口可以通過語句analogWrite（pin，duty-Cycle）來確定指定占空比的PWM。其中，pin的值在3、5、6、9、10、11接口中選擇，dutyCycle的值在0～255之間，0代表占空比為0%，127代表占空比為50%，255代表占空比為100%。這種方式下，PWM信號的頻率是固定的默認(rèn)值，為1000Hz左右，在analogWrite（pin，dutyCycle）之后，占空比會一直保持不變，除非下一個analogWrite（pin，dutyCycle）執(zhí)行。我們可以手動切換高電平和低電平，并在中間加入延時函數(shù)delay（），就可以實(shí)現(xiàn)自定義頻率的PWM。

Arduino UNO R3主板有三個Timer，即Timer0、Timer1、Timer2。三個Timer都可以自定義調(diào)節(jié)頻率，但各有特點(diǎn)。Timer0負(fù)責(zé)控制delay（）等函數(shù)，如果改變Timer0的頻率，就會導(dǎo)致計(jì)時函數(shù)不準(zhǔn)確；Timer1的計(jì)數(shù)器是16位的，與Timer0、Timer2的8位計(jì)數(shù)器是不一樣的；Timer2的頻率可調(diào)擋位更多，有7擋預(yù)除數(shù)，我們選擇Timer2。Arduino UNO R3主板離線存儲的步進(jìn)電動機(jī)調(diào)用函數(shù)為

小車在接收到遙控信號后，通過判斷執(zhí)行相應(yīng)的動作。

（3）初始化部分源代碼

Arduino語言的初始化部分由setup（）執(zhí)行。Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的初始化部分源代碼為

3．編譯環(huán)境

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車使用Arduino IDE進(jìn)行編譯。Arduino IDE是一款專業(yè)的Arduino開發(fā)工具，主要用于Arduino程序的編寫和開發(fā)，擁有開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)，支持ISP在線燒錄，兼容Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等多種程序，是廣受歡迎的編譯環(huán)境。Arduino語言是建立在C/C++語言基礎(chǔ)上的，基本與C語言相通。其實(shí)也就是基礎(chǔ)的C語言，Arduino語言只不過把與AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些寄存器參數(shù)、設(shè)置等都函數(shù)化了，不需使用者了解底層，有利于進(jìn)行開發(fā)。

Arduino IDE的編程特色：

特色一：開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依需求自己修改。

特色二：使用低價格的微處理控制器（ATmega8或ATmega128），可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC供電。

特色三：支持ISP在線燒錄，可以將新的bootloader固件燒入ATmega8或ATmega128芯片，有了bootloader之后，即可通過串口或USBtoRs232更新固件。

特色四：可依據(jù)官方提供Eagle格式的PCB和SCH電路圖簡化Arduino模組，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理器控制，各種電子元器件的連接非常方便。

特色五：支持多種互動程序，如Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等。

特色六：利用Arduino可突破以往只能使用鼠標(biāo)、鍵盤、CCD等輸入裝置的互動內(nèi)容，可以更簡單地達(dá)成單人或多人互動。

Arduino IDE界面截圖如圖3.21所示。

所完成的Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的實(shí)物圖如圖3.22所示。