基于樹莓派的超聲波避障小車

孫智勇 戴文翔 程文龍

摘要：如今越來(lái)越多人走出課本不拘泥于文字之上，他們更多的邊做邊學(xué)，樹莓派就是其中一個(gè)很好的例子，不少人會(huì)去拿樹莓派去控制小燈，或通過(guò)樹莓派來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)對(duì)小車的控制，更有甚者用樹莓派來(lái)做智能家居。該文則介紹一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單些的利用超聲波來(lái)做避障小車，以樹莓派為核心通過(guò)它L298n的控制來(lái)控制小車，利用超聲波傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車與障礙物之間的距離，利用算法來(lái)實(shí)現(xiàn)避障

關(guān)鍵詞：超聲波傳感器；Raspberry；樹莓派

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0206-02

1 硬件組成

（1）避障小車硬件組成包括：小車底盤、4個(gè)車輪、四個(gè)直流電機(jī)、超聲波測(cè)距傳感器模塊、電源盒、移動(dòng)電源（也可直接通過(guò)5v電源接口直接使用）、無(wú)線網(wǎng)卡、樹莓派。注：如果使用的板子是3個(gè)輪子的，則3個(gè)車輪中，兩個(gè)前輪由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，后輪選擇萬(wàn)向輪。

（2）電源部分：包括四節(jié)1.5V（5號(hào)）電池，5000毫安移動(dòng)電源。四節(jié)1.5V（5號(hào)）電池為L(zhǎng)298n提供6V電壓，5000毫安移動(dòng)電源為樹莓派提供穩(wěn)定的5V電壓。

（3）驅(qū)動(dòng)部分：包括小車底盤、L298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)（2/4個(gè)）。3輪小車需要L298n驅(qū)動(dòng)前輪，配合萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退以及左右轉(zhuǎn)向。

（4）主控制部分：樹莓派。樹莓派通過(guò)L298n控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，全方向達(dá)到移動(dòng)的目的。樹莓連接超聲波測(cè)距模塊，以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量與障礙物的距離。從而可以做到小車再碰到障礙物之前能按預(yù)設(shè)避讓方式進(jìn)行避讓，最終實(shí)現(xiàn)智能避讓。

（5）傳感器部分：超聲波測(cè)距傳感器模塊連與樹莓派，正常工作時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器模塊的工作電壓為5V左右，電壓會(huì)下降0.1V左右。傳感器通過(guò)向空中發(fā)送超聲波脈沖并測(cè)量反彈所需的時(shí)間來(lái)工作。該值可以用于計(jì)算脈沖行進(jìn)的距離進(jìn)而產(chǎn)生信號(hào)，是樹莓派執(zhí)行避讓語(yǔ)句。

注意點(diǎn)：找到距離的計(jì)算依賴于聲音的速度，這隨溫度而變化。腳本根據(jù)預(yù)定義的溫度計(jì)算要使用的正確值。如果需要可以更改此值，或者使用溫度傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量該值。

2 軟件編譯

（1）定義接口控制輪子：

import RPi.GPIO as gpio

import time

GPIO.setwarnings（False）

GPIO.setmode（GPIO.BCM）

zuoqian = 7

zuohou = 11

youqian = 15

youhou = 13

注：首先沒(méi)有HDMI線的人可以直接通過(guò)putty通過(guò)樹莓派ip來(lái)遠(yuǎn)程登錄樹莓派，賬戶名為：pi，密碼為raspberry（密碼不可見）在樹莓派上首次使用引腳時(shí)，首先要通過(guò)sudo apt-get install python-dev指令安裝Python——dev（dev： 開發(fā)包，包含相關(guān)庫(kù)和頭文件，用于開發(fā)用），然后使用sudo pip install rpi.gpio指令安裝適用于Python的GPIO模塊。

接著你可以使用vim編譯器或者也是用nano編譯器，指令為：sudo vim +文件名.py或者sudo nano +文件名。py（注：樹莓派默認(rèn)的是沒(méi)有安裝vim編譯器的，所以要通過(guò)sudo apt-get install -y vim指令安裝。而nano為大部分Linux系統(tǒng)的默認(rèn)編譯器，還有兩種簡(jiǎn)易方式，一種使用樹莓派的可視化界面，第二種是使用WinSCP直接進(jìn)入樹莓派內(nèi)部文件。

（2）初始化GPIO口：

def init（）：

gpio.setmode（gpio.BOARD）

gpio.setup（7，gpio.OUT）

gpio.setup（11，gpio.OUT）

gpio.setup（13，gpio.OUT）

gpio.setup（15，gpio.OUT）

注：gpio.setmode（gpio.BOARD）意思為gpio調(diào)用BOARD編號(hào)方式。

因?yàn)闃漭尚枰ㄟ^(guò)L298n來(lái)控制直流電機(jī)，所以連接7，11，13，15這幾個(gè)GPIO端口且要為輸出端。而與紅外避障模塊相連GPIO端口，因?yàn)樾枰涫占穆窙r信息，所以設(shè)置為輸入端

（3）定義基礎(chǔ)方向：

def qianjin（timerun）：

init（）

gpio.output（7，True）

gpio.output（11，F(xiàn)alse）

gpio.output（15，True）

gpio.output（13，F(xiàn)alse）

time.sleep（timerun）

gpio.cleanup（）

注：定義基礎(chǔ)方向時(shí)要注意L298n的安裝朝向，gpio7和gpio11應(yīng)相對(duì)應(yīng)接右邊，而gpio15及gpio13口應(yīng)相對(duì)應(yīng)左側(cè)，注意同側(cè)間可能會(huì)有與直流電機(jī)出現(xiàn)正負(fù)極順序錯(cuò)誤的可能，極有可能形成左右輪轉(zhuǎn)向相反，小車方向控制不了的情況。

第一個(gè)（qianjin）代碼使得左右輪都問(wèn)前進(jìn)；同理后退（houtui）代碼的false與ture指令與第一個(gè)相反則形成后退。

def zuozhuan（timerun）：

init（）

gpio.output（7，F(xiàn)alse）

gpio.output（11，F(xiàn)alse）

gpio.output（15，True）

gpio.output（13，F(xiàn)alse）

time.sleep（timerun）

gpio.cleanup（）

此條指令（左轉(zhuǎn)）則通過(guò)gpio.output（7，F(xiàn)als），gpio.output（11，F(xiàn)alse） 兩個(gè)代碼使得左邊輪子停止而右邊的兩個(gè)gpio接口依舊正常使得右邊向前則形成的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)也是同樣的道理在這里就不一一贅述了。

def tingzhi（timerun）：

init（）

gpio.output（7，F(xiàn)alse）

gpio.output（11，F(xiàn)alse）

gpio.output（15，F(xiàn)alse）

gpio.output（13，F(xiàn)alse）

time.sleep（timerun）

gpio.cleanup（）

最后一個(gè)是（停止）指令四個(gè)gpio口的指令都為False，使得四輪子全部停止。即形成了指令。

最后我們要注意的是Python對(duì)空格極為敏感，有可能我們沒(méi)有觀察出來(lái)的地方?jīng)]對(duì)齊，或某處忘縮進(jìn)就會(huì)造成程序錯(cuò)誤。所以最好統(tǒng)一使用Tap鍵縮進(jìn)，或者統(tǒng)一使用空格鍵。

（4）超聲波測(cè)距傳感器的連接與編輯：

import RPi.GPIO as gpio

import time

def distance（）：

gpio.setmode（gpio.BOARD） gpio.setup（12，gpio.OUT） gpio.setup（16，gpio.IN） gpio.output（12，True）

time.sleep（0.000015） gpio.output（12，F(xiàn)alse）

while not gpio.input（16）：

pass

t1 = time.time（）

while gpio.input（16）：

pass

t2 = time.time（）

return （t2-t1）*34000/2

gpio.cleanup（）

return distance

print（distance（））

注：通過(guò)gpio.output（12，True）指令發(fā)出觸發(fā)信號(hào)保持10us以上，從發(fā)現(xiàn)高電平時(shí)開始計(jì)時(shí)記為t1，當(dāng)高電平結(jié)束時(shí)停止計(jì)時(shí)記為t2，由此可計(jì)算t1，t2的時(shí)間差從而通過(guò)公式：（t1-t2）*3400/2來(lái)計(jì)算出距離。

通過(guò)先定義小車前后左右的動(dòng)作和測(cè)算距離后，我們就可以令小車進(jìn)行距離判斷進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作了。

dis = int（checkdistance（））

print（dis）

If dis<=30

print”distance less than 0.30m and back

Int（）

houtui（1）

這只是定義了一個(gè)選擇更多的可以通過(guò)對(duì)距離的判斷來(lái)做。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中的超聲波小車不過(guò)是樹莓派眾多實(shí)驗(yàn)中的九牛一毛，但實(shí)驗(yàn)中的步驟多相似之處，像編程語(yǔ)言的注意事項(xiàng)和工具等這些都是基礎(chǔ)也是需要加強(qiáng)的地方，所以我們要加強(qiáng)對(duì)Python和C++的學(xué)習(xí)，從中發(fā)現(xiàn)樂(lè)趣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胖若兩人.[樹莓派]樹莓派小車（三）Python控制小車（簡(jiǎn)書網(wǎng)）

[2] 趙貴生.一起來(lái)玩樹莓派.www.sentdex.com（一工程師教程）

【通聯(lián)編輯：代影】