树莓派笔记6：自制小车（手柄控制）

继续树莓派小车的内容，这次记录手柄控制小车运动的实现。

1 方案设计

对于手动控制小车的工具，大概有这么几种：

①用红外遥控器，小车上放一个接收器，读取遥控器信息。实现应该比较简单，红外收发元件也很便宜，不过遥控器得对着小车，恐怕不太方便；

②蓝牙手柄，因为树莓派带蓝牙，可以通过蓝牙接收手柄数据，不过一个蓝牙手柄可不便宜；

③有线手柄，相比无线设备肯定low一点，不过我手头就只有一个有线手柄，50多块钱的小鸡G3，就是个xbox 360手柄；

④手机，如果写个带方向键的手机客户端来控制小车应该是最酷的了，不过我不会Android或IOS开发。

最终选择用有线手柄控制小车，而控制方式不是把手柄连到树莓派上，而是连到我的笔记本上，用C#写个客户端程序，一方面读取手柄数据，一方面与树莓派通信。至于通信，采用TCP通信，树莓派上运行服务器程序，接收控制信息，电脑上运行客户端程序，发送手柄数据。

2 手柄数据读取

现在主要的问题是怎么读取手柄数据呢？通过网络搜索，发现可以使用SharpDX库在.NET平台下读取手柄输入数据，SharpDX是一个全新的、开源的、封装了 DirectX API的项目（Wiki文档链接：http://sharpdx.org/ ，目前还不全），其支持的API包括2D和3D渲染、音频、设备输入等方面，貌似游戏开发中使用的挺多的。不过我不需要用到那么多功能，只需要使用XInput库就行，XInput支持XBox360手柄的数据读取。关于SharpDX及XInput的教程或文档有点难找，Wiki上的官方文档只是接口说明，而且现在还不全；微软官方文档上可以找到XInput的相关文档，不过它是针对C++的；我在Stack Overflow找到一个回答，介绍了SharpDX.XInput的简单使用方法（https://stackoverflow.com/questions/39109609/how-to-use-xbox-one-controller-in-c-sharp-application/39109610#39109610）。

首先需要下载SharpDX.XInput库，可以在Visual Studio的Nuget包管理器里直接下，不过如果直接下SharpDX.XInput会提示需要依赖SharpDX库，因此先下SharpDX库。下好SharpDX后再下载SharpDX.XInput竟然还是报错，说缺少SharpDX依赖，这时可以先卸载Nuget管理器再重安装（“工具”->“扩展和更新”），这样就可以顺利下载了。

添加XInput的引用

using SharpDX.XInput;

，然后可以写一个手柄控制类：

class XInputController
{
Controller controller;
Gamepad gamepad;
public bool connected = false;

public XInputController()
{
controller = new Controller(UserIndex.One);
connected = controller.IsConnected;
}

/// <summary>
/// 读取方向键信息
/// </summary>
/// <returns></returns>
public string GetDirection()
{
if (!controller.IsConnected)
return null;
gamepad = controller.GetState().Gamepad;

GamepadButtonFlags flag = gamepad.Buttons;
int resultStart = ((int)flag) & 0x10;
int resultBack = ((int)flag) & 0x20;
int resultUp=((int)flag) & 0x01;
int resultDown=((int)flag) & 0x02;
int resultLeft=((int)flag) & 0x04;
int resultRight=((int)flag) & 0x08;
if (resultStart != 0)
return "start";
else if (resultBack != 0)
return "back";
else if (resultUp != 0)
return "up";
else if (resultDown != 0)
return "down";
else if (resultLeft != 0)
return "left";
else if (resultRight != 0)
return "right";
else
return "undefine";

}
}

这个类代码很短，因为我只需要读取方向键、start和back键，如果要读取摇杆和震动数据的话就需要麻烦一些了。Controller对象就代表了手柄设备，初始化的时候指定了设备号为“UserIndex.One”，总共好像可以有四个设备；Gamepad对象存储了手柄当前的状态信息，其中有一个结构体为GamepadButtonFlags属性，它以二进制位的形式存储了按键信息，比如0x0001就表示“上”方向键处于按下状态，0x0002就表示“下”方向键处于按下状态，在上述代码中，我读取Buttons属性，判断每一位的状态来检测哪个键被按下，如果是没有键被按下或者除了方向键、start和back键外的键被按下，就返回“undefine”。

3 PC端程序

新建一个Winform项目，编写PC客户端程序。因为要做TCP客户端，需要使用socket相关类；另外也需要考虑读取手柄信息的方式，是事件机制还是主动轮询，怎么处理手柄的事件我还不知道怎么写，我采用定时器的方式主动查询手柄状态。下图是PC端程序的流程图。



下面是程序主体代码：

public partial class HandleControlForm : Form
{
private TcpClient client = null;
private NetworkStream streamToServer = null;
private XInputController controller = null;
public HandleControlForm()
{
InitializeComponent();
this.button1.Enabled = false;
this.timer1.Interval = 100;
this.timer1.Stop();
}

private void HandleControlForm_Load(object sender, EventArgs e)
{
//手柄初始化
controller = new XInputController();
if (controller.connected)
{
this.textBox1.Text = "the handle has connected...\r\n";
this.button1.Enabled = true;
}
}
/// <summary>
/// 启动
/// </summary>
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
//连接小车
client = new TcpClient();
try
{
client.Connect(IPAddress.Parse("192.168.1.17"), 5150);
}
catch
{
this.textBox1.Text += "connect to the car falled...\r\n";
this.button1.Enabled = false;
return;
}
this.textBox1.Text += "connect to the car successfully...\r\n";
streamToServer = client.GetStream();
this.timer1.Start();//开始接收手柄输入
this.button1.Enabled = false;
}
/// <summary>
/// 定时器处理
/// </summary>
private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
{
string input = null;
input = controller.GetDirection();
if (input == null)
{
this.textBox1.Text += "the handle disconnect...\r\n";
return;
}
this.textBox1.Text += input + "\r\n";
//向小车发送控制指令
byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
streamToServer.Write(buffer, 0, buffer.Length);
if (input == "back")
{
//关闭
this.timer1.Stop();
streamToServer.Close();
client.Close();
streamToServer = null;
client = null;
this.button1.Enabled = true;
this.textBox1.Text += "shut down the connection...\r\n";
}
}

private void textBox1_TextChanged(object sender, EventArgs e)
{
this.textBox1.SelectionStart = this.textBox1.Text.Length;
this.textBox1.ScrollToCaret();
}
}

在发送数据到小车的代码中，是把字符串编码为UTF-8格式的，一开始我用的UNICODE编码，结果树莓派上的Python程序接收乱码，因为Python中的网络数据解析默认是按照UTF-8格式的。下图是程序界面，用了一个文本框显示程序信息。

4 树莓派程序

树莓派上的Python程序主要由电机控制模块和TCP服务器代码组成，程序流程如下图所示：



Python代码如下：

#! /usr/bin/python3

import socket
import re
import Motor_Module

print("init motor module...")
try:
motor=Motor_Module.Motor_Module()
motor.setup()
except:
print("init motor module fail...")
exit()
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
host='192.168.1.17'
port=5150
try:
server.bind((host,port))
except:
print("socket bind fail...")
exit()
server.listen(5)
print("listening for connect...")
client,addr=server.accept()
print("Accept the connect , now receving commands...")
duration=1
#不断接收指令
while True:
data=client.recv(1024)
info=bytes.decode(data) #解码字符串
if re.match('back',info):
break
elif re.match('up',info):
print("move ahead")
motor.ahead()
elif re.match('down',info):
print("move rear")
motor.rear()
elif re.match('left',info):
print("move left")
motor.left()
elif re.match('right',info):
print("move right")
motor.right()
elif re.match('undefine',info):
print("no control command")
motor.stop()
print("end the connection...")
motor.stop()
client.close()

在接收处理的代码中， 我用match方法匹配相应的关键词而不是直接用等于号，是因为TCP传输中可能会出现拆包、黏包等现象，用match方法稳妥一些；对于“undefine”指令，直接停止小车，而受到“back”指令时终止程序。

5 测试

首先启动树莓派上的程序监听连接，然后启动PC端程序，手柄需要提前连接上，否则PC程序上的按钮不可用；由于程序用定时器轮询手柄，并且设置了“undefine”指令，小车可实现随时停止的效果，长按方向键可以持续运行，松开按钮小车立即停止；此外，可以在树莓派上插上摄像头，后台运行mjpg-streamer，在PC端网页查看实时视频，这样就可以实现简易的远程控制了。