树莓派小车硬件从淘宝买到手后已经鼓捣很长时间了，其中最喜欢的应用是控制小车运动了。我的小车控制系统在开发的过程中遇到了很多小问题，都被我一一修正了，将开发经验与大家分享，希望后来人能少走些弯路。
控制小车的方法大体上有以下几种：
1.TCP/UDP控制；
2.网页控制；
3.蓝牙控制；
4.红外遥控器控制；
5.手柄控制。
本次我采用的是【1.TCP/UDP控制】方案。
需要的硬件如下：
1. win7笔记本
2. 树莓派小车
3. 无线wifi网络
控制方案简介：通过监听win7笔记本上的键盘的按键，获得控制信息。然后将控制信息通过UDP协议发送给局域网内的树莓派小车。树莓派小车获得指令后进行动作。
0×01 控制协议小车控制系统的通讯协议采用面向非连接的UDP协议，相比TCP协议，UDP协议更简单有效。
控制协议格式如下：
协议版本号:包号:命令字
其中协议版本号固定为1；包号为一个数字，每发送一次进行加1处理；命令字用于向小车发送控制命令。
本文用到的命令字有如下几种。
//方向控制 #define CARRUN_REMOTE_FORWARD (0x01) #define CARRUN_REMOTE_BACK (0x02) #define CARRUN_REMOTE_LEFT (0x03) #define CARRUN_REMOTE_RIGHT (0x04) #define CARRUN_REMOTE_STOP (0x05) //IP相关命令 #define CARRUN_REMOTE_WHOISONLINE (0x06) // who is online #define CARRUN_REMOTE_ONLINE (0x07) // I am online0×02 客户端设计
客户端界面如下所示。
可以手动输入树莓派小车的IP地址。为了方面操作，设计了一个自动获得树莓派小车IP的功能。
按下[Find Car]按钮，客户端程序向整个网络广播CARRUN_REMOTE_WHOISONLINE（谁在线）请求。当树莓派小车收到广播通知，立即向客户端发送CARRUN_REMOTE_ONLINE（我在线）的答复。客户端收到答复，自动将树莓派小车的IP地址记录到文本框中显示。
获得树莓派小车IP地址后，按下[Start]按钮，开始监听键盘信息，并根据监听到的特定按键的按下、抬起事件，转换为树莓派小车的控制命令，通过UDP协议与树莓派小车通信。
按键与小车动作的转换表如下：
按键事件 小车动作方向键上按下 小车前进
方向键上抬起 小车停止
方向键下按下 小车后退
方向键下抬起 小车停止
方向键左按下 小车左转
方向键左抬起 小车停止
方向键右按下 小车右转
方向键右抬起 小车停止
UDP协议使用的3737端口，发送UDP协议是很简单的事情，本文不详细介绍。
监听键盘是通过安装系统钩子实现的，具体内容不详细介绍，读者可以检索SetWindowsHookEx函数进行详细了解。
0×03 服务器端设计树莓派小车安装的是RaspbianOS系统，该系统采用linux内核，对熟悉linux的朋友很容易上手。
服务器端使用C++语言和python语言混合编程实现。其中python语言编写的程序用于控制小车的前进、后退、左转、右转、停止动作。C++语言编写的程序用于监听UDP命令，并处理控制命令。
用python控制小车的代码非常简单，我调试好的代码如下：
#!/usr/bin/Python # -*- coding: UTF-8 -*- #引入gpio的模块 import RPi.GPIO as GPIO import time #设置in1到in4接口 IN1 = 12 IN2 = 16 IN3 = 18 IN4 = 22 #初始化接口 def car_init(): #设置GPIO模式 GPIO.setmode(GPIO.BOARD) GPIO.setup(IN1,GPIO.OUT) GPIO.setup(IN2,GPIO.OUT) GPIO.setup(IN3,GPIO.OUT) GPIO.setup(IN4,GPIO.OUT) #前进的代码 def car_forward(): GPIO.output(IN1,GPIO.HIGH) GPIO.output(IN2,GPIO.LOW) GPIO.output(IN3,GPIO.HIGH) GPIO.output(IN4,GPIO.LOW) time.sleep(0.15) GPIO.cleanup() #后退 def car_back(): GPIO.output(IN1,GPIO.LOW) GPIO.output(IN2,GPIO.HIGH) GPIO.output(IN3,GPIO.LOW) GPIO.output(IN4,GPIO.HIGH) time.sleep(0.15) GPIO.cleanup() #左转 def car_left(): GPIO.output(IN1,False) GPIO.output(IN2,False) GPIO.output(IN3,GPIO.HIGH) GPIO.output(IN4,GPIO.LOW) time.sleep(0.15) GPIO.cleanup() #右转 def car_right(): GPIO.output(IN1,GPIO.HIGH) GPIO.output(IN2,GPIO.LOW) GPIO.output(IN3,False) GPIO.output(IN4,False) time.sleep(0.15) GPIO.cleanup() #停止 def car_stop(): GPIO.output(IN1,GPIO.LOW) GPIO.output(IN2,GPIO.LOW) GPIO.output(IN3,GPIO.LOW) GPIO.output(IN4,GPIO.LOW) GPIO.cleanup()C++语言编写的程序是小车控制系统的核心，可以分为4个模块：协议解析模块、UDP端口监听模块、逻辑控制模块、动作执行模块。
协议解析模块用于解析协议。
#p#分页标题#e#协议解析模块的核心代码如下：
#define COMMUNICATION_PORT (3737) //command #define CARRUN_REMOTE_FORWARD (0x01) #define CARRUN_REMOTE_BACK (0x02) #define CARRUN_REMOTE_LEFT (0x03) #define CARRUN_REMOTE_RIGHT (0x04) #define CARRUN_REMOTE_STOP (0x05) #define CARRUN_REMOTE_WHOISONLINE (0x06) #define CARRUN_REMOTE_ONLINE (0x07) #define GET_MODE(command) (command & 0x000000ffUL) struct MsgInfo { unsigned long ipaddr; // IP Address int portNo; // port number std::string version; // version unsigned long packetNo; // packet number unsigned long command; // command }; #define SOCKET_ERROR (-1) //消息解析函数 bool ResolveMsg(const std::string message, MsgInfo &msg) { std::vector<std::string> vInfos; boost::split( vInfos, message, boost::is_any_of( ",:" ), boost::token_compress_on ); if ( vInfos[0] != "1" ) { std::cout << "protocol is wrong."<< std::endl; return false; } msg.version = vInfos[0]; msg.packetNo = atoi(vInfos[1].c_str()); msg.command = atoi(vInfos[2].c_str()); return true; } unsigned long MakePacketNumber() { static unsigned long packnumber = 0; packnumber++; return packnumber; } //发送UDP消息函数 bool UDPSend(int localSocket, unsigned long host_addr, unsigned short port_no, unsigned long command ) { struct sockaddr_in addr; memset(&addr, 0, sizeof(addr)); /// 网络地址初始化 addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_port = htons(port_no); addr.sin_addr.s_addr = host_addr; char message[512] = {0}; unsigned long packnumber = MakePacketNumber(); sprintf(message,"%d:%ld:%ld",0x1,packnumber,command); if (SOCKET_ERROR == ::sendto(localSocket, message, strlen(message),0, (struct sockaddr *)&addr ,sizeof(addr))) { return false; } return true; }UDP端口监听模块用于监听从3737端口来的控制信息，并将收到的消息解析后以异步的方式传递给逻辑控制模块。
UDP端口监听模块的核心代码如下：
int localUDPSocket; void *listenUDPCommunicationThread(void *arg) { struct sockaddr_in localAddr,remoteAddr; localUDPSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // udp bzero(&localAddr, sizeof(localAddr)); localAddr.sin_family = AF_INET; localAddr.sin_port = htons(COMMUNICATION_PORT); // port localAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; std::cout << "socket returned : " << localUDPSocket << std::endl; int result = bind(localUDPSocket, (struct sockaddr *)&localAddr, sizeof(localAddr)); std::cout << "bind returned : " << result << std::endl <<std::endl; if (-1 == result) { std::cout << "bind error!" << std::endl; exit(1); } char buffer[1024] = {0}; while(1) { memset(buffer,0,sizeof(buffer)); socklen_t remoteAddrLength = sizeof(remoteAddr); int nReceiveSize = recvfrom(localUDPSocket, &buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&remoteAddr, &remoteAddrLength); std::cout << "received UDP data. data is: " << buffer << std::endl; std::string message(buffer,nReceiveSize); DoAction(&remoteAddr, message); } } void DoAction(struct sockaddr_in *addr, const std::string message) { MsgInfo msg; if (addr) { msg.ipaddr = addr->sin_addr.s_addr; msg.portNo = htons(addr->sin_port); } bool bResult = ResolveMsg( message, msg ); if ( !bResult ) { std::cout << "ResolveMsg fail."<< std::endl; return; } // std::cout << "command:0x" << hex << msg.command << std::endl; switch ( GET_MODE(msg.command) ) { case CARRUN_REMOTE_FORWARD: { std::cout << "command: CARRUN_REMOTE_FORWARD"<< std::endl; DirectionReq *req = new DirectionReq(); req->setValue(DIRECTION_FORWARD); ControlManager::instance()->postActionReq(req); } break; case CARRUN_REMOTE_BACK: { std::cout << "command: CARRUN_REMOTE_BACK"<< std::endl; DirectionReq *req = new DirectionReq(); req->setValue(DIRECTION_BACK); ControlManager::instance()->postActionReq(req); } break; case CARRUN_REMOTE_LEFT: { std::cout << "command: CARRUN_REMOTE_LEFT"<< std::endl; DirectionReq *req = new DirectionReq(); req->setValue(DIRECTION_LEFT); ControlManager::instance()->postActionReq(req); } break; case CARRUN_REMOTE_RIGHT: { std::cout << "command: CARRUN_REMOTE_RIGHT"<< std::endl; DirectionReq *req = new DirectionReq(); req->setValue(DIRECTION_RIGHT); ControlManager::instance()->postActionReq(req); } break; case CARRUN_REMOTE_STOP: { std::cout << "command: CARRUN_REMOTE_STOP"<< std::endl; StatusReq *req = new StatusReq(); ControlManager::instance()->postStatusReq(req); } break; case CARRUN_REMOTE_WHOISONLINE: std::cout << "command: CARRUN_REMOTE_WHOISONLINE"<< std::endl; UDPSend(localUDPSocket,addr->sin_addr.s_addr,COMMUNICATION_PORT,CARRUN_REMOTE_ONLINE); break; default: { std::cout << "Unknown command:"<< msg.command << std::endl; } break; } return; }#p#分页标题#e#
逻辑控制模块只有一个线程在处理，但有两个队列。队列1优先级最高，只存放小车的停止命令。队列2优先级最低，用于存放小车的前进、后退、左转、右转命令。
由于键盘按键按下后如果一直不动，那么客户端（PC）会向服务器端（树莓派小车）连续发送大量的命令，由于树莓派小车的处理速度远低于消息发送的速度，此时很容易在树莓派小车产生消息堆积，这样会导致控制失灵。
解决办法：当树莓派小车收到停止命令时，将消息投递到优先级最高的队列1中。当逻辑控制模块每处理一个命令后，会优先检查队列1中是否有停止命令，如果有停止命令的话，会执行让小车停止动作，同时清空队列2中的全部堆积指令。
逻辑控制模块的核心代码如下。
动作执行模块用于调用python模块的接口，实现小车的前进、后退、左转、右转，停止动作。
注意：C++代码是可以调用python模块的接口的。
动作执行模块的代码如下。
#include </usr/include/python2.7/Python.h> #include <iostream> #include "switch.h" #define DEBUG_TEST 0 void Forward() { std::cout<<"###Forward###"<<std::endl; #if DEBUG_TEST sleep(1); return; #endif //初始化python Py_Initialize(); PyRun_SimpleString("import sys"); PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')"); PyObject * pModule = NULL; PyObject * pFunc = NULL; //这里是要调用的文件名 pModule = PyImport_ImportModule("control"); if (!pModule) { std::cout<<"Call PyImport_ImportModule(\"control\") fail."<<std::endl; return; } //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_init"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_forward"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); } void Back() { std::cout<<"###Back###"<<std::endl; #if DEBUG_TEST sleep(1); return; #endif //初始化python Py_Initialize(); PyRun_SimpleString("import sys"); PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')"); PyObject * pModule = NULL; PyObject * pFunc = NULL; //这里是要调用的文件名 pModule = PyImport_ImportModule("control"); if (!pModule) { std::cout<<"Call PyImport_ImportModule(\"control\") fail."<<std::endl; return; } //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_init"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_back"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); } void Left() { std::cout<<"###Left###"<<std::endl; #if DEBUG_TEST sleep(1); return; #endif //初始化python Py_Initialize(); PyRun_SimpleString("import sys"); PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')"); PyObject * pModule = NULL; PyObject * pFunc = NULL; //这里是要调用的文件名 pModule = PyImport_ImportModule("control"); if (!pModule) { std::cout<<"Call PyImport_ImportModule(\"control\") fail."<<std::endl; return; } //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_init"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_left"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); } void Right() { std::cout<<"###Right###"<<std::endl; #if DEBUG_TEST sleep(1); return; #endif //初始化python Py_Initialize(); PyRun_SimpleString("import sys"); PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')"); PyObject * pModule = NULL; PyObject * pFunc = NULL; //这里是要调用的文件名 pModule = PyImport_ImportModule("control"); if (!pModule) { std::cout<<"Call PyImport_ImportModule(\"control\") fail."<<std::endl; return; } //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_init"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_right"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); } void Stop() { std::cout<<"###Stop###"<<std::endl; #if DEBUG_TEST sleep(1); return; #endif //初始化python Py_Initialize(); PyRun_SimpleString("import sys"); PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')"); PyObject * pModule = NULL; PyObject * pFunc = NULL; //这里是要调用的文件名 pModule = PyImport_ImportModule("control"); if (!pModule) { std::cout<<"Call PyImport_ImportModule(\"control\") fail."<<std::endl; return; } //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_init"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); //这里是要调用的函数名 pFunc= PyObject_GetAttrString(pModule, "car_stop"); //调用函数 PyEval_CallObject(pFunc, NULL); Py_DECREF(pFunc); }到此整个小车控制系统就介绍完了。
最后，整个服务器端代码已经发到了百度网盘上。
链接: https://pan.baidu.com/s/1jOkGjmTOdWVfoa12ghKjdA 密码: jeyr