树莓派WIFI小车java版（三）小车java控制程序

seth.yang · 2015-7-1 14:03:24

本帖最后由 seth.yang 于 2015-7-1 14:56 编辑

前情提要 Previous on 《树莓派WIFI小车java版》

在上一篇，《树莓派WIFI小车java版（二）硬件连接》中，我们做了小手工，将硬件连接起来，这一期，我们编写代码，让这些硬件动起来，并通过网络将车载的摄像头模块拍摄的视频显示出来。 Let's go。

本篇中所有代码可以在https://github.com/seth-yang/rem ... ster/java/Smart-Car下载，您也可以在linux终端中，使用命令

git clone https://github.com/seth-yang/remote-car.git

复制代码

来获取整个工程。

java线程基础

这部分是给对java线程控制不太熟悉的同学看的，若你对java的线程控制很熟悉的话，请直接跳到下一节。

我们需要一个可暂停的线程，线程外部可控制该线程的状态（运行、暂停、退出）。思路很简单，线程监视一个变量，若设置，则等待，否则继续执行线程逻辑，代码如下：

package org.dreamwork.smart.car.server.util;
/**
* 可暂停的线程
* Created by seth.yang on 2015/6/10.
*/
public abstract class PausableThread extends Thread {
protected final Object locker = new Object ();
protected boolean paused = true;
protected boolean running = false;
/**
* 线程逻辑，由具体实现类来决定
*/
protected abstract void doWork ();
/**
* 构造函数，创建一个指定状态的可暂停线程
*/
public PausableThread (boolean paused) {
this.paused = paused;
start ();
}
/**
* 恢复执行线程
*/
public void proceed () {
synchronized (locker) {
paused = false;
locker.notifyAll ();
}
}
/**
* 暂停线程
*/
public void pause () {
paused = true;
}
public boolean isPaused () {
return paused;
}
/**
* 退出线程，布尔值block表示是否等待线程退出
*/
public void shutdown (boolean block) throws InterruptedException {
running = false;
if (paused)
proceed ();
if (block && (Thread.currentThread () != this))
this.join ();
}
@Override
public synchronized void start () {
if (!running) {
running = true;
super.start ();
}
}
@Override
public void run () {
while (running) {
while (paused) {
synchronized (locker) {
try {
locker.wait ();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace ();
}
}
}
doWork ();
}
}
}

复制代码

关于pi4j的简单介绍

Pi4j 提供的树莓派IO脚控制的API，入门还是先对简单的，官网提供了一些入门代码，我们来看个最简单的。

// 初始化GPIO环境
GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
// 获取一个指定的GPIO脚
GpioPinDigitalOutput pin =
gpio.provisionDigitalOutputPin(
RaspiPin.GPIO_01, // GPIO 脚序号
"MyLED", // GPIO脚名称
PinState.LOW // 初始状态
);
// 控制连接GPIO脚的LED闪烁10次
for (int i = 0; i < 10; i ++) {
pin.high ();
Thread.sleep (1000);
pin.low ();
Thread.sleep (1000);
}

复制代码

很简单，是不是。Pi4j对于GPIO的控制代码就是这样大同小异的。好了，我们假定你已经对pi4j入门了，我们继续准备更加深入的代码。

PWM简介

关于PWM的基础概念知识，请自行google/度娘，有很详细的介绍。这里仅介绍pi4j如何控制PWM。

Pi4j 1.0 还包括了PCA9685的驱动。不过，对于我来说，Pi4j 的PCA9685驱动有个bug，在com.pi4j.gpio.extension.pca.PCA9685GpioProvider类的第312行，要加一个 mode != null 的判断。改动后的代码在https://github.com/seth-yang/rem ... 85GpioProvider.java可以下载到。

同样，我们看一个PCA9685的入门例子，这是一个呼吸灯的代码。

// 获取I2C 总线对象
I2CBus bus = I2CFactory.getInstance(I2CBus.BUS_1);
// 定义 PWM 频率
BigDecimal frequency = new BigDecimal("50");
// 初始化PCA9685驱动
PCA9685GpioProvider provider = new PCA9685GpioProvider(
bus, // I2C 总线对象
0x40, // I2C 总线地址对于PCA9685而言，固定为 0x40
frequency // PWM 频率
);
Pin led = PCA9685Pin.ALL[0]; // PCA9685 PWM 0脚
for (int i = 0; i < 10; i ++) {
for (int j = 0; j < 4096; j += 10) {
if (j < 4096) {
// 从第0个tick开始到第j个tick结束
provider.setPWM (led, 0, j);
Thread.sleep (1);
}
}
for (int j = 4096; j > 0; j -= 10) {
if (j > 0) {
provider.setPWM (led, 0, j);
Thread.sleep (1);
}
}
}

复制代码

其中，provider.setPWM (led, 0, j)这句不太好理解，这里简单解释一下，详细内容请参阅官网文档

PCA9685将每个PWM周期等分为4096个时刻（更确切点，称为tick)，该方法的第二个参数为高电平的起始tick，第三个参数为高电平的结束时刻，以这种形式来定义PWM的占空比。例如，我们定义占空比为25%的PWM，那么，该方法的参数为：

provider.setPWM (led, 0, 1024)

复制代码

它的PWM波形类似

如果将参数改为

provider.setPWM (led, 1024, 2048)

复制代码

这同样是一个25%占空比的PWM，不过它的波形为

好了，我们点到为止，毕竟这不是详细介绍PWM的。

根据以上的思路，我们使用java语言为PWM抽象一个类出来，接口如下：

public class PWM {
private float value;
/**
* 构造函数，指定PWM的引脚和频率
*/
public PWM (int pin, int frequency) {
...
}
/**
* 设置占空比，将原始int, int方式转化为更直观的百分比形式
*/
public void setValue (float value) {
this.value = value;
... // 将百分比映射成 0~4095之间的值
}
/**
* 获取当前的占空比
*/
public float getValue () {
return value;
}
}

复制代码

舵机控制

舵机的控制信号周期为20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5ms,相对应的舵盘位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上，如下图所示

不难看出，只要给相对应的脉冲宽度（即占空比），就能精确控制舵机停留的角度，根据这个思路，我们也抽象出一个java 对象来表示舵机 (原型，实际代码比这个复杂）

/**
* 基于 PCA9685 扩展板的舵机对象.
*/
public class Servo extends PWM implements TimeoutListener {
public static enum Direction {
INCREMENT, DECREMENT
}
/**
* 最小的有效脉宽
*/
public static final int SERVO_DURATION_MIN = 500;
/**
* 中位的脉宽值
*/
public static final int SERVO_DURATION_NEUTRAL = 1500;
/**
* 最大有效脉宽
*/
public static final int SERVO_DURATION_MAX = 2500;
/**
* 用于记录当前舵机停留的角度
*/
private int angle = 0;
/**
* 舵机允许的最小和最大的角度，可通过构造函数指定
*/
private int minAngle = -90, maxAngle = 90;
/**
* 舵机转动方向
*/
private Direction dir = Direction.INCREMENT;
/**
* 事件处理器
*/
private List<ServoListener> list = new ArrayList<ServoListener> ();
public Servo (int pin, final int min, final int max) throws IOException {
super (pin, 50);
}
/**
* 设定舵机的角度
*/
public void set (int angle) throws InterruptedException {
if (angle < minAngle)
angle = minAngle;
if (angle > maxAngle)
angle = maxAngle;
this.angle = angle;
double tmp = angle + 90;
// 将角度计算为脉宽
double duration = SERVO_DURATION_MIN + 100 * tmp / 9;
if (duration > SERVO_DURATION_MAX)
duration = SERVO_DURATION_MAX;
else if (duration < SERVO_DURATION_MIN)
duration = SERVO_DURATION_MIN;
provider.setPwm (PCA9685Pin.ALL [pinIndex], (int) duration);
}
/**
* 获取舵机当前停留的角度
*/
public int get () {
return angle;
}
public void addListener (ServoListener listener) {
list.add (listener);
}
protected void fireListener (int border) {
for (ServoListener listener : list) {
listener.onReachBorder (this, border);
}
}
}

复制代码

------ 呃，这里发帖子有字数限制，这部分只能拆成2楼了，见谅

seth.yang · 2015-7-1 15:46:23

-- 接楼上

直流电机控制

直流电机是通过L298N控制板进行控制的。一块L298N控制板可以同时控制2路直流电机，其中，每路直流电机需要3根脚进行控制，一根使用PWM信号控制电机的转速，2路数字信号控制电机的转动状态，请参见下表

L298N

了解L298N的控制方式后，控制代码比较简单。

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
public class Motor {
private GpioPinDigitalOutput pin0, pin1;
private PWM pwm;
private int speed = 3;
public static final int MAX_SPEED = 5, MIN_SPEED = 0;
public Motor (GpioPinDigitalOutput pin0, GpioPinDigitalOutput pin1, PWM pwm) {
this.pin0 = pin0;
this.pin1 = pin1;
this.pwm = pwm;
}
public int getSpeed () {
return speed;
}
public void setSpeed (int speed) {
if (speed < MIN_SPEED) speed = MIN_SPEED;
if (speed > MAX_SPEED) speed = MAX_SPEED;
this.speed = speed;
// 将速度映射为PWM占空比
pwm.setValue (.2f * speed);
}
public void forward () {
pin0.high ();
pin1.low ();
}
public void backward () {
pin0.low ();
pin1.high ();
}
public void stop () {
pin0.low ();
pin1.low ();
}
public void dispose () {
pin0.low ();
pin1.low ();
pwm.setValue (0);
}
}

复制代码

增加转向灯

这部分对于小车运动控制来说，不是必须的，但可以增加趣味性，同时更加接近现实情况：当车辆转弯时转向灯同时闪烁，指示车辆转弯的方向。

这部分的代码相当简单，就是控制一个LED灯的闪烁，唯一不同的事，采用线程，使得LED的闪烁不影响主线程（小车控制命令接收线程）

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import org.apache.log4j.Logger;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.GpioHelper;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.PausableThread;
/**
* Created by seth.yang on 2015/6/8.
*/
public class BlinkLED extends PausableThread {
private GpioPinDigitalOutput pin;
public BlinkLED (int pinIndex) {
super (true);
pin = GpioHelper.getDigitalOutputPin (pinIndex);
}
public boolean isBlinking () {
return !paused;
}
public void blink () {
proceed ();
}
@Override
protected void doWork () {
try {
pin.high ();
sleep (300);
pin.low ();
sleep (300);
} catch (Exception ex) {
// process exception
}
}
}

复制代码

摄像头

这个和java关系不大，和GPIO也没关系。通过java调用mjpg-streamer就行了。

拼装小车控制程序

小车动作控制部分介绍完了，可以将这些代码拼装成一台完整的小车了。

我们的小车需要：

l 两路舵机，用于控制摄像头的转动

l 四路直流电机（实际上我只用了两路，记得吗，我将左右两侧的2个电机并联了）

l 四路转向灯（实际上是也是两路，同上）

l 一路照明LED灯（好吧，上面的介绍中没有，但这不影响整体代码）

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import org.apache.log4j.Logger;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.Config;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.GpioHelper;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.Rotate;
import java.io.*;
public class Car implements ServoListener {
private static final int
DIR_FORWARD = 1, DIR_BACKWARD = -1, DIR_STOP = 0,
DIR_TURN_LEFT = -2, DIR_TURN_RIGHT = 2;
/**
* 小车当前运动状态（前进，后退或停止）
*/
private int dir = DIR_STOP;
/**
* 小车上一次的运动状态
*/
private Integer backup_dir = null;
/**
* 小车转动状态（左转，右转，停止)
*/
private Rotate rotate;
/**
* 两路转向灯
*/
private BlinkLED leftLed, rightLed;
/**
* 两路舵机
*/
private Servo servo0, servo1;
/**
* 两路直流电机
*/
private Motor left_front, right_front;
/**
* 摄像头
*/
private Camera camera;
/**
* 配置文件
*/
private Config config;
/**
* 前灯
*/
private GpioPinDigitalOutput led;
private GpioController gpio;
private boolean shutdown = false;
public Car (Config config) throws IOException, InterruptedException {
this.config = config;
setup ();
}
/**
* 初始化
*/
private void setup () throws IOException, InterruptedException {
... // 读取配置文件，初始化各个部件
}
/**
* 使指定的LED灯闪烁
*/
private void toggleBlinkLed (BlinkLED led) {
...
}
/**
* 重置小车的各个状态
*/
public void reset () throws InterruptedException {
stop ();
servo0.reset ();
servo1.reset ();
camera.close ();
}
/**
* 销毁小车的各个部件，释放资源
*/
public void dispose () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleLeftBlink () {
...
}
public void toggleRightBlink () {
...
}
public void forward () throws InterruptedException {
...
}
public void backward () throws InterruptedException {
...
}
public void stop () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleServoLeft () {
...
}
public void toggleServoRight () {
...
}
public void toggleServoUp () {
...
}
public void toggleServoDown () {
...
}
public void toggleTurnLeft () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleTurnRight () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleLED () {
led.toggle ();
}
public void toggleCamera () throws IOException {
if (!camera.isOpened ())
camera.open ();
else
camera.close ();
}
public void servoLeft () {
servo0.increase ();
}
public void servoRight () {
servo0.decrease ();
}
public void stopHorizontalRotate () {
servo0.stopRotate ();
}
public void servoUp () {
servo1.decrease ();
}
public void servoDown () {
servo1.increase ();
}
public void stopVerticalRotate () {
servo1.stopRotate ();
}
public boolean isRotateUp () {
return rotate.isRotateUp ();
}
public boolean isRotateLeft () {
return rotate.isRotateLeft ();
}
public boolean isRotateDown () {
return rotate.isRotateDown ();
}
public boolean isRotateRight () {
return rotate.isRotateRight ();
}
}

复制代码

代码有点长，抱歉没有详细的注释，不过我想，直接看方法名应该就可以看出来这个方法的作用了吧。

值得一提的是控制转向。我们的小车是四驱的，并没有转向轮，那么如何转向呢？答案是差速转向：当左右两侧轮子的转速不同时，小车就不再沿直线运动了。

设小车左轮的速度为VL,右轮的转速为VR，那么理论上：

n 当VL = VR时，转弯半径为无穷大（直线）

n 当VL > VR>0时，小车右转，转弯半径 > 轴距

n 当VL > VR=0时，小车右转，转弯半径 = 轴距

n 当 VR = -VL时，小车右转，转弯半径 = 0

反之左转

我们的转弯代码取其中一种（我取的是一侧速率为0的方式，这取决于电机的减速比和轮胎的抓地力，如果电机减速比较小或轮胎抓地力较小，建议取VR = -VL，进行原地转弯）

...
// 一侧速率为0的转弯方式
private void turnLeft () throws InterruptedException {
left_front.setSpeed (5);
right_front.setSpeed (5);
if (dir == DIR_BACKWARD) {
left_forward ();
right_pause ();
} else {
left_pause ();
right_forward ();
}
leftLed.blink ();
}
// 原地转弯的方式
private void turnLeft () throws InterruptedException {
left_forward ();
right_backward ();
leftLed.blink ();
}
...

复制代码

以上代码二选一，不能同时出现在程序中，否则编译时将出错

指令

我们需要指令，来和小车的动作一一对应，枚举它就行了

package org.dreamwork.smart.car.server.io;
public enum Command {
DISPOSE (-2, false),
QUIT (-1, false),
STOP ( 0, false),
FORWARD (1, false),
BACKWARD (2, false),
TURN_LEFT (3, false),
TURN_RIGHT (4, false),
TOGGLE_LED (5, false),
TOGGLE_CAMERA (6, false),
TOGGLE_LEFT_BLINK (7, false),
TOGGLE_RIGHT_BLINK (8, false),
STOP_VERTICAL_SERVO (9, false),
STOP_HORIZONTAL_SERVO (10, false),
SPEED (11, false),
SERVO_UP (12, false),
SERVO_RIGHT (13, false),
SERVO_DOWN (14, false),
SERVO_LEFT (15, false),
LEFT_FORWARD (101, false),
LEFT_BACKWARD (102, false),
LEFT_PAUSE (103, false),
RIGHT_FORWARD (104, false),
RIGHT_BACKWARD (105, false),
RIGHT_PAUSE (106, false),
RESET (501, false)
;
public final int code;
public final boolean hasReturn;
private Command (int code, boolean hasReturn) {
this.code = code;
this.hasReturn = hasReturn;
}
}

复制代码

-- 字数有到了。。。下面还有一楼，介绍剩下的内容，不要走开哦

seth.yang · 2015-7-1 14:44:40

-- 接楼上的内容

直流电机控制

直流电机是通过L298N控制板进行控制的。一块L298N控制板可以同时控制2路直流电机，其中，每路直流电机需要3根脚进行控制，一根使用PWM信号控制电机的转速，2路数字信号控制电机的转动状态，请参见下表

了解L298N的控制方式后，控制代码比较简单。

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
public class Motor {
private GpioPinDigitalOutput pin0, pin1;
private PWM pwm;
private int speed = 3;
public static final int MAX_SPEED = 5, MIN_SPEED = 0;
public Motor (GpioPinDigitalOutput pin0, GpioPinDigitalOutput pin1, PWM pwm) {
this.pin0 = pin0;
this.pin1 = pin1;
this.pwm = pwm;
}
public int getSpeed () {
return speed;
}
public void setSpeed (int speed) {
if (speed < MIN_SPEED) speed = MIN_SPEED;
if (speed > MAX_SPEED) speed = MAX_SPEED;
this.speed = speed;
// 将速度映射为PWM占空比
pwm.setValue (.2f * speed);
}
public void forward () {
pin0.high ();
pin1.low ();
}
public void backward () {
pin0.low ();
pin1.high ();
}
public void stop () {
pin0.low ();
pin1.low ();
}
public void dispose () {
pin0.low ();
pin1.low ();
pwm.setValue (0);
}
}

复制代码

增加转向灯

这部分对于小车运动控制来说，不是必须的，但可以增加趣味性，同时更加接近现实情况：当车辆转弯时转向灯同时闪烁，指示车辆转弯的方向。

这部分的代码相当简单，就是控制一个LED灯的闪烁，唯一不同的事，采用线程，使得LED的闪烁不影响主线程（小车控制命令接收线程）

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import org.apache.log4j.Logger;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.GpioHelper;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.PausableThread;
/**
* Created by seth.yang on 2015/6/8.
*/
public class BlinkLED extends PausableThread {
private GpioPinDigitalOutput pin;
public BlinkLED (int pinIndex) {
super (true);
pin = GpioHelper.getDigitalOutputPin (pinIndex);
}
public boolean isBlinking () {
return !paused;
}
public void blink () {
proceed ();
}
@Override
protected void doWork () {
try {
pin.high ();
sleep (300);
pin.low ();
sleep (300);
} catch (Exception ex) {
// process exception
}
}
}

复制代码

摄像头

这个和java关系不大，和GPIO也没关系。通过java调用mjpg-streamer就行了。

mjpg_streamer -i "input_raspicam.so -fps 15" -o "output_http.so -w /usr/www -p 8002"

复制代码

拼装小车控制程序

小车动作控制部分介绍完了，可以将这些代码拼装成一台完整的小车了。

我们的小车需要：

l 两路舵机，用于控制摄像头的转动

l 四路直流电机（实际上我只用了两路，记得吗，我将左右两侧的2个电机并联了）

l 四路转向灯（实际上是也是两路，同上）

l 一路照明LED灯（好吧，上面的介绍中没有，但这不影响整体代码）

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import org.apache.log4j.Logger;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.Config;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.GpioHelper;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.Rotate;
import java.io.*;
public class Car implements ServoListener {
private static final int
DIR_FORWARD = 1, DIR_BACKWARD = -1, DIR_STOP = 0,
DIR_TURN_LEFT = -2, DIR_TURN_RIGHT = 2;
/**
* 小车当前运动状态（前进，后退或停止）
*/
private int dir = DIR_STOP;
/**
* 小车上一次的运动状态
*/
private Integer backup_dir = null;
/**
* 小车转动状态（左转，右转，停止)
*/
private Rotate rotate;
/**
* 两路转向灯
*/
private BlinkLED leftLed, rightLed;
/**
* 两路舵机
*/
private Servo servo0, servo1;
/**
* 两路直流电机
*/
private Motor left_front, right_front;
/**
* 摄像头
*/
private Camera camera;
/**
* 配置文件
*/
private Config config;
/**
* 前灯
*/
private GpioPinDigitalOutput led;
private GpioController gpio;
private boolean shutdown = false;
public Car (Config config) throws IOException, InterruptedException {
this.config = config;
setup ();
}
/**
* 初始化
*/
private void setup () throws IOException, InterruptedException {
... // 读取配置文件，初始化各个部件
}
/**
* 使指定的LED灯闪烁
*/
private void toggleBlinkLed (BlinkLED led) {
...
}
/**
* 重置小车的各个状态
*/
public void reset () throws InterruptedException {
stop ();
servo0.reset ();
servo1.reset ();
camera.close ();
}
/**
* 销毁小车的各个部件，释放资源
*/
public void dispose () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleLeftBlink () {
...
}
public void toggleRightBlink () {
...
}
public void forward () throws InterruptedException {
...
}
public void backward () throws InterruptedException {
...
}
public void stop () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleServoLeft () {
...
}
public void toggleServoRight () {
...
}
public void toggleServoUp () {
...
}
public void toggleServoDown () {
...
}
public void toggleTurnLeft () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleTurnRight () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleLED () {
led.toggle ();
}
public void toggleCamera () throws IOException {
if (!camera.isOpened ())
camera.open ();
else
camera.close ();
}
public void servoLeft () {
servo0.increase ();
}
public void servoRight () {
servo0.decrease ();
}
public void stopHorizontalRotate () {
servo0.stopRotate ();
}
public void servoUp () {
servo1.decrease ();
}
public void servoDown () {
servo1.increase ();
}
public void stopVerticalRotate () {
servo1.stopRotate ();
}
public boolean isRotateUp () {
return rotate.isRotateUp ();
}
public boolean isRotateLeft () {
return rotate.isRotateLeft ();
}
public boolean isRotateDown () {
return rotate.isRotateDown ();
}
public boolean isRotateRight () {
return rotate.isRotateRight ();
}
}

复制代码

值得一提的是控制转向。我们的小车是四驱的，并没有转向轮，那么如何转向呢？答案是差速转向：当左右两侧轮子的转速不同时，小车就不再沿直线运动了。

设小车左轮的速度为VL,右轮的转速为VR，那么理论上：

n 当VL = VR时，转弯半径为无穷大（直线）

n 当VL > VR>0时，小车右转，转弯半径 > 轴距

n 当VL > VR=0时，小车右转，转弯半径 = 轴距

n 当 VR = -VL时，小车右转，转弯半径 = 0

反之左转

我们的转弯代码取其中一种（我取的是一侧速率为0的方式，这取决于电机的减速比和轮胎的抓地力，如果电机减速比较小或轮胎抓地力较小，建议取VR = -VL，进行原地转弯）

...
// 一侧速率为0的转弯方式
private void turnLeft () throws InterruptedException {
left_front.setSpeed (5);
right_front.setSpeed (5);
if (dir == DIR_BACKWARD) {
left_forward ();
right_pause ();
} else {
left_pause ();
right_forward ();
}
leftLed.blink ();
}
// 原地转弯的方式
private void turnLeft () throws InterruptedException {
left_forward ();
right_backward ();
leftLed.blink ();
}
...

复制代码

指令

我们需要指令，来和小车的动作一一对应，枚举它就行了

package org.dreamwork.smart.car.server.io;
public enum Command {
DISPOSE (-2, false),
QUIT (-1, false),
STOP ( 0, false),
FORWARD (1, false),
BACKWARD (2, false),
TURN_LEFT (3, false),
TURN_RIGHT (4, false),
TOGGLE_LED (5, false),
TOGGLE_CAMERA (6, false),
TOGGLE_LEFT_BLINK (7, false),
TOGGLE_RIGHT_BLINK (8, false),
STOP_VERTICAL_SERVO (9, false),
STOP_HORIZONTAL_SERVO (10, false),
SPEED (11, false),
SERVO_UP (12, false),
SERVO_RIGHT (13, false),
SERVO_DOWN (14, false),
SERVO_LEFT (15, false),
LEFT_FORWARD (101, false),
LEFT_BACKWARD (102, false),
LEFT_PAUSE (103, false),
RIGHT_FORWARD (104, false),
RIGHT_BACKWARD (105, false),
RIGHT_PAUSE (106, false),
RESET (501, false)
;
public final int code;
public final boolean hasReturn;
private Command (int code, boolean hasReturn) {
this.code = code;
this.hasReturn = hasReturn;
}
}

复制代码

--- 呃，2楼还不够，代码贴的有点多了。。。

seth.yang · 2015-7-1 14:51:29

本帖最后由 seth.yang 于 2015-7-1 16:41 编辑

-- 接楼上

网络监听

实际上，这部分和树莓派的GPIO控制无关，如果你对java的socket编程比较熟悉的，应该很容易看懂。想象一下我们的控制流程：

1. 手机连接到树莓派

2. 发送对应的控制指令

3. 树莓派做出响应

显而易见，手机需要知道树莓派的IP地址，才能够连接到树莓派进行小车的遥控。而树莓派也需要监听网络，等待指令。

package org.dreamwork.smart.car.server.io;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class Server implements Runnable {
private ServerSocket server;
private String name;
private int port;
public Server (String name, int port) {
this.name = name;
this.port = port;
}
/**
* 监听网络
*/
public void bind () throws IOException {
server = new ServerSocket (port);
new Thread (this).start ();
}
public void unbind () throws IOException {
if (!server.isClosed ()) {
server.close ();
}
}
@Override
public void run () {
... // 初始化
while (!server.isClosed ()) {
try {
Socket socket = server.accept ();
// 将小车控制权交给新的线程，enjoy it！
Worker worker = new Worker (socket, car);
new Thread (runner).start ();
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace ();
}
}
}
}

复制代码

Server 负责监听并接受连接，Worker负责接受指令并响应。

至此，小车已经可以工作了。

等等，树莓派的IP地址是啥？我还要在手机先输入树莓派的IP，好麻烦啊~~~

好吧，我们可以扩展一下网络部分的代码，让树莓派把自己的IP和端口广播出来。。。

仅介绍思路，代码在https://github.com/seth-yang/remote-car上，

org.dreamwork.smart.car.server.io.BroadcastService类和 org.dreamwork.smart.car.server.io.NetworkUtil类

思路如下：

树莓派监听自己所有网卡绑定的网络的广播地址的某一个端口（比如8001），手机端程序向自己所能连接的所有网络的广播地址发送自己的IP，树莓派从广播地址读到手机IP后，通过TCP将自己的IP、摄像头端口及控制端口发送给手机。

编写一个基于java swing的测试程序，测试一下我们的小车。

每个功能都分配一个单独的按钮，拆开来测试比较好。

友情提示，测试的时候将小车架空会比较有爱写，像这样

动起来的效果：

视频土豆上http://www.tudou.com/programs/view/CR1aPVNxkjI/

http://www.tudou.com/programs/view/CR1aPVNxkjI/

--- TO BE CONTINUED ---

下期预告

树莓派WIFI小车java版（是）android 控制程序

seth.yang · 2015-7-1 15:04:34

今天上传图片的份额用完了，明天上第四部分。

树老大 · 2015-7-1 15:19:30

精彩。感谢贡献。

seth.yang · 2015-7-1 15:36:36

-- 接楼上

直流电机控制

直流电机是通过L298N控制板进行控制的。一块L298N控制板可以同时控制2路直流电机，其中，每路直流电机需要3根脚进行控制，一根使用PWM信号控制电机的转速，2路数字信号控制电机的转动状态，请参见下表

了解L298N的控制方式后，控制代码比较简单。

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
public class Motor {
private GpioPinDigitalOutput pin0, pin1;
private PWM pwm;
private int speed = 3;
public static final int MAX_SPEED = 5, MIN_SPEED = 0;
public Motor (GpioPinDigitalOutput pin0, GpioPinDigitalOutput pin1, PWM pwm) {
this.pin0 = pin0;
this.pin1 = pin1;
this.pwm = pwm;
}
public int getSpeed () {
return speed;
}
public void setSpeed (int speed) {
if (speed < MIN_SPEED) speed = MIN_SPEED;
if (speed > MAX_SPEED) speed = MAX_SPEED;
this.speed = speed;
// 将速度映射为PWM占空比
pwm.setValue (.2f * speed);
}
public void forward () {
pin0.high ();
pin1.low ();
}
public void backward () {
pin0.low ();
pin1.high ();
}
public void stop () {
pin0.low ();
pin1.low ();
}
public void dispose () {
pin0.low ();
pin1.low ();
pwm.setValue (0);
}
}

复制代码

增加转向灯

这部分对于小车运动控制来说，不是必须的，但可以增加趣味性，同时更加接近现实情况：当车辆转弯时转向灯同时闪烁，指示车辆转弯的方向。

这部分的代码相当简单，就是控制一个LED灯的闪烁，唯一不同的事，采用线程，使得LED的闪烁不影响主线程（小车控制命令接收线程）

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import org.apache.log4j.Logger;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.GpioHelper;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.PausableThread;
/**
* Created by seth.yang on 2015/6/8.
*/
public class BlinkLED extends PausableThread {
private GpioPinDigitalOutput pin;
public BlinkLED (int pinIndex) {
super (true);
pin = GpioHelper.getDigitalOutputPin (pinIndex);
}
public boolean isBlinking () {
return !paused;
}
public void blink () {
proceed ();
}
@Override
protected void doWork () {
try {
pin.high ();
sleep (300);
pin.low ();
sleep (300);
} catch (Exception ex) {
// process exception
}
}
}

复制代码

摄像头

这个和java关系不大，和GPIO也没关系。通过java调用mjpg-streamer就行了。

拼装小车控制程序

小车动作控制部分介绍完了，可以将这些代码拼装成一台完整的小车了。

我们的小车需要：

l 两路舵机，用于控制摄像头的转动

l 四路直流电机（实际上我只用了两路，记得吗，我将左右两侧的2个电机并联了）

l 四路转向灯（实际上是也是两路，同上）

l 一路照明LED灯（好吧，上面的介绍中没有，但这不影响整体代码）

package org.dreamwork.smart.car.server.component;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import org.apache.log4j.Logger;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.Config;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.GpioHelper;
import org.dreamwork.smart.car.server.util.Rotate;
import java.io.*;
public class Car implements ServoListener {
private static final int
DIR_FORWARD = 1, DIR_BACKWARD = -1, DIR_STOP = 0,
DIR_TURN_LEFT = -2, DIR_TURN_RIGHT = 2;
/**
* 小车当前运动状态（前进，后退或停止）
*/
private int dir = DIR_STOP;
/**
* 小车上一次的运动状态
*/
private Integer backup_dir = null;
/**
* 小车转动状态（左转，右转，停止)
*/
private Rotate rotate;
/**
* 两路转向灯
*/
private BlinkLED leftLed, rightLed;
/**
* 两路舵机
*/
private Servo servo0, servo1;
/**
* 两路直流电机
*/
private Motor left_front, right_front;
/**
* 摄像头
*/
private Camera camera;
/**
* 配置文件
*/
private Config config;
/**
* 前灯
*/
private GpioPinDigitalOutput led;
private GpioController gpio;
private boolean shutdown = false;
public Car (Config config) throws IOException, InterruptedException {
this.config = config;
setup ();
}
/**
* 初始化
*/
private void setup () throws IOException, InterruptedException {
... // 读取配置文件，初始化各个部件
}
/**
* 使指定的LED灯闪烁
*/
private void toggleBlinkLed (BlinkLED led) {
...
}
/**
* 重置小车的各个状态
*/
public void reset () throws InterruptedException {
stop ();
servo0.reset ();
servo1.reset ();
camera.close ();
}
/**
* 销毁小车的各个部件，释放资源
*/
public void dispose () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleLeftBlink () {
...
}
public void toggleRightBlink () {
...
}
public void forward () throws InterruptedException {
...
}
public void backward () throws InterruptedException {
...
}
public void stop () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleServoLeft () {
...
}
public void toggleServoRight () {
...
}
public void toggleServoUp () {
...
}
public void toggleServoDown () {
...
}
public void toggleTurnLeft () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleTurnRight () throws InterruptedException {
...
}
public void toggleLED () {
led.toggle ();
}
public void toggleCamera () throws IOException {
if (!camera.isOpened ())
camera.open ();
else
camera.close ();
}
public void servoLeft () {
servo0.increase ();
}
public void servoRight () {
servo0.decrease ();
}
public void stopHorizontalRotate () {
servo0.stopRotate ();
}
public void servoUp () {
servo1.decrease ();
}
public void servoDown () {
servo1.increase ();
}
public void stopVerticalRotate () {
servo1.stopRotate ();
}
public boolean isRotateUp () {
return rotate.isRotateUp ();
}
public boolean isRotateLeft () {
return rotate.isRotateLeft ();
}
public boolean isRotateDown () {
return rotate.isRotateDown ();
}
public boolean isRotateRight () {
return rotate.isRotateRight ();
}
}

复制代码

代码较长，截取了其中public的方法，抱歉注释不多，不过看名字应该能看懂方法的含义。

值得一提的是控制转向。我们的小车是四驱的，并没有转向轮，那么如何转向呢？答案是差速转向：当左右两侧轮子的转速不同时，小车就不再沿直线运动了。

设小车左轮的速度为VL,右轮的转速为VR，那么理论上：

n 当VL = VR时，转弯半径为无穷大（直线）

n 当VL > VR>0时，小车右转，转弯半径 > 轴距

n 当VL > VR=0时，小车右转，转弯半径 = 轴距

n 当 VR = -VL时，小车右转，转弯半径 = 0

反之左转

我们的转弯代码取其中一种（我取的是一侧速率为0的方式，这取决于电机的减速比和轮胎的抓地力，如果电机减速比较小或轮胎抓地力较小，建议取VR = -VL，进行原地转弯）

...
// 一侧速率为0的转弯方式
private void turnLeft () throws InterruptedException {
left_front.setSpeed (5);
right_front.setSpeed (5);
if (dir == DIR_BACKWARD) {
left_forward ();
right_pause ();
} else {
left_pause ();
right_forward ();
}
leftLed.blink ();
}
// 原地转弯的方式
private void turnLeft () throws InterruptedException {
left_forward ();
right_backward ();
leftLed.blink ();
}
...

复制代码

指令

我们需要指令，来和小车的动作一一对应，枚举它就行了

package org.dreamwork.smart.car.server.io;
public enum Command {
DISPOSE (-2, false),
QUIT (-1, false),
STOP ( 0, false),
FORWARD (1, false),
BACKWARD (2, false),
TURN_LEFT (3, false),
TURN_RIGHT (4, false),
TOGGLE_LED (5, false),
TOGGLE_CAMERA (6, false),
TOGGLE_LEFT_BLINK (7, false),
TOGGLE_RIGHT_BLINK (8, false),
STOP_VERTICAL_SERVO (9, false),
STOP_HORIZONTAL_SERVO (10, false),
SPEED (11, false),
SERVO_UP (12, false),
SERVO_RIGHT (13, false),
SERVO_DOWN (14, false),
SERVO_LEFT (15, false),
LEFT_FORWARD (101, false),
LEFT_BACKWARD (102, false),
LEFT_PAUSE (103, false),
RIGHT_FORWARD (104, false),
RIGHT_BACKWARD (105, false),
RIGHT_PAUSE (106, false),
RESET (501, false)
;
public final int code;
public final boolean hasReturn;
private Command (int code, boolean hasReturn) {
this.code = code;
this.hasReturn = hasReturn;
}
}

复制代码

-- 看来2楼还是无法完全放下全部内容，代码贴的有点多，呵呵，下面还有一楼，介绍本篇剩余的内容，不要走开哦

seth.yang · 2015-7-1 16:02:48

本篇还剩下2部分发不到这个帖子里了，是要新开贴吗？

树老大 · 2015-7-1 16:20:27

seth.yang 发表于 2015-7-1 16:02
本篇还剩下2部分发不到这个帖子里了，是要新开贴吗？

重新开就行

seth.yang · 2015-7-1 16:37:38

呃。。。全出来了，老大把重复的内容删除了吧。麻烦了。

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