打造機器人：為遙控小車加一個樹莓派

引言：相信許多人都有個創造機器人的夢想，但以前個人打造一款機器人屬于異想天開。這不僅僅是因為硬體零部件的昂貴，主要還在于中控系統的複雜性。不過樹莓派這類開源微電腦的誕生，你的極客夢依托樹莓派就能夠實作。
如果你也曾幻想從無到有地親手打造出自己的第一台機器人，那麼樹莓派這個硬體平台就是你上手的不二之選。
本文選自《樹莓派機器人藍圖權威寶典》。
           

在正式開始前

　　1.本文使用的是樹莓派 B2

　　2.你已經對樹莓派已有了相當的了解，并已 SD卡上燒制了 Raspbian/Wheezy系統

　　3.系統安裝在記憶體卡中，記憶體卡的容量需要至少在 8GB以上

對樹莓派進行配置和控制遙控小車

　　你将要制作的第一個項目采用的是一種簡易的遙控小車，如下圖所示。

　　這是一種Xmods 遙控車，在Radio Shack1 有售，在零售店或網上商店也可以買到。當然你也可以使用其他類型的遙控小車。采用這種小車的優點在于它的驅動和轉向很容易控制。

　　下圖顯示的是這種小車中間的控制部分。

　　你需要直接控制小車的兩處連接配接：一處是驅動電機，另一處是轉向單元。這種小車的驅動單元位于車尾處。正常情況下，你會看到兩根驅動直流電機的導線。接頭位于車尾，看起來像下圖一樣。

　　在車的主要部分，可以看到有個接頭，接頭有兩根導線，用來控制小車的速度，如圖1-5所示。

　　拆除這個插頭和這些導線；你将用樹莓派和一個電機控制器來為小車的驅動系統提供所需電壓。導線上電壓的高低将決定電機旋轉的快慢；電壓的正負極變化将決定電機的轉向。樹莓派需要提供一個±6V 的電壓信号，用來控制小車速度和行駛方向。

　　你還需要取代小車前方轉向單元的控制信号，這有一點點困難。圖1-6 是位于車頭的連接配接插頭。

　　控制子產品的五針連接配接，如下圖所示。

　　關鍵是了解如何用導線來控制轉向。方法是打開這個單元，其内部結構如下圖所示。

　　從上圖可以看出來，藍色、黃色導線( 圖中圓圈處) 連接配接到直流電機，橙色、褐色、紅色導線（圖中矩形處）連接配接到另一個控制電路。電機會驅動車輪正轉或反轉，電壓的極性決定旋轉的方向，電壓的高低決定了車輪轉動的快慢。橙色、褐色和紅色導線需特别注意，要探明它們的作用有點困難，可以使用電壓表和示波器來了解它們的工作原理。橙色和褐色的導線比較直覺，它們分别是接3.5V 和接地GND。紅色導線是一條控制線，采用PWM（Pulse Width Modulation）技術，輸出信号為頻率330HZ、占空比為10% 的方波信号。它是一個使能控制信号。沒有這個信号，轉向單元就不能被激活。

　　一旦你明白了原有小車系統中的控制信号是如何工作的，就可以通過樹莓派輸出這些信号來控制小車。要達到這個目的，樹莓派需提供3.3V 的直流信号，一個接地GND 信号，一個330Hz、3.3V 的PWM 信号，以及驅動轉向單元的±6V 電壓。你可以将小車中已有的導線和一些自己買來的導線焊在一起，然後用熱縮管包好，進而與小車中原有的插頭連接配接在一起（見下圖）。

　　你還需要連接配接小車的後輪部分以便驅動小車的兩個後輪。下圖是連接配接好後看到的樣子。

　　另外，你還需要把小車的電池連接配接到樹莓派上，讓樹莓派采用小車的電池電源，下圖是重新修改連接配接後的示意圖。

　　要控制小車，你需要提供小車所需的每個控制信号。±6V的電壓信号不能直接取自樹莓派。你需要某種電機控制器提供信号來控制小車後輪的驅動和轉向單元。提供這些信号最簡單的方法是使用電機擴充闆，這是種外加的硬體，可以裝在樹莓派上，并能根據電壓和電流為小車的轉向和驅動提供動力。可通過網上購買RaspiRobot V2 擴充闆來滿足需求，如下圖所示。

　　欲了解擴充闆的詳情，可以通路http://www.monkmakes.com/?page_id=6983。這塊擴充闆将提供驅動和轉向信号給你的遙控小車。你還需要一個附加的信号，就是用于激活轉向單元的PWM 信号。下面是把樹莓派和這塊擴充闆相連接配接的步驟：

1.将電池電源接頭和擴充闆的電源接頭連接配接在一起，如下圖所示。

2.接着，連接配接後輪驅動信号到擴充闆上的電機1 号接口，如下圖所示。

3.連接配接前輪驅動接頭到擴充闆上的電機2 号接口，如下圖所示。

4.連接配接3.3V 和GND 引腳樹莓派的GPIO（General Purpose Input/Output）接口。下圖是這些接口的布置圖。

5.你需要使用Pin1 3.3V 接口連接配接3.3V 信号，Pin9 GND 接口連接配接接地GND 信号。你還需要連接配接其中的一個GPIO接口，通過320Hz 的頻率、占空比10% 的PWM 信号去激活單元。下圖所示為連接配接Pin12 GPIO18 接口。

　　到此，硬體連接配接已完成。

　　硬體已準備好，現在你可以通過樹莓派實作所有的功能。首先，安裝與擴充闆所相關的庫檔案，這可在http://www.monkmakes.com/?page_id=698 中找到。執行下述步驟：

1.運作指令wget https://github.com/simonmonk/raspirobotboard2/raw/master/python/dist/rrb2-1.1.tar.gz—該指令可擷取所需的庫檔案。

2.然後運作 tar –zf rrb2-1.1.tar.gz—該指令将檔案解壓縮。

3.鍵入cd rrb2-1.1—改變目錄到檔案所在位置。

4.鍵入sudo python setup.py install—安裝庫檔案。

　　你需要編寫一些Python 代碼，用來控制驅動電機和轉向電機。這些代碼看起來和下面的差不多（見下圖）。

　　這些代碼詳細說明如下。

• import RPi.GPIO as GPIO ：導入RPi.GPIO 類庫，這個類庫允許你向車頭的轉向單元發送一個PWM 信号。

• import time ：導入time 類庫， 允許使用time.sleep(number_of_milliseconds)

  方法，該方法會産生一個固定的延時。

• from rrb2 import * ：導入rrb2 類庫，rrb2 類庫使你能控制兩個直流電機。這個rrb2 就是你剛剛從GitHub

  下載下傳的庫檔案。

• pwmPin = 18：這将設定PWM接口為GPIO Pin18引腳，它是樹莓派上的實體接口Pin12。
• dc = 10 ：設定PWM信号中的占空比為10%。
• GPIO.setmode(GPIO.BCM) ：設定RPi.GPIO 的定義模式為BCM 模式，允許你制定PWM 信号的實體接口。
• GPIO.setup(pwmPin, GPIO.OUT) ：設定PWM接口為輸出，因而你能驅動轉向單元的控制電路。
• pwm = GPIO.PWM(pwmPin, 320) ：在正确的接口上初始化PWM 信号，并設定PWM 信号為320Hz。
• rr = RRB2() ：執行個體化電機控制器的一個執行個體。
• pwm.start(dc) ：開始PWM信号。
• rr.set_led(1) ：點亮電機控制闆上的 LED1。
• rr.set_motors(1, 1, 1, 1) ：設定兩個電機同時移動進而使小車向前行駛。這個指令允許你設定電機正轉或反轉，以及設定指定的速度。第一個參數是1 号電機的速度，它的範圍是從0到1 ；第二個參數是1 号電機的方向，1 是正轉，0 是反轉；第三個參數是2 号電機轉速，範圍也是從0到1；第四個參數是設定2号電機的反轉和正轉，取值1 或0。
• print(“Loop, press CTRL C to exit”) ：訓示使用者如何停止運作程式。
• while 1 ： 保持循環，直到“Ctrl+C”組合鍵被按下。
• time.sleep(0.075) ：讓程式等待0.075 秒。
• pwm.stop() ：停止PWM信号。
• GPIO.cleanup() ：清除GPIO 指令并準備關閉。

當你鍵入sudo python xmod.py運作這個程式後，控制闆上的LED1 會亮起來，這時候，後輪應該向前旋轉，并且轉向單元也開始運作。這些行為可以确認全部連接配接都是正确的。為了讓項目更加有趣，你可以通過添加代碼實作更多的動态控制。下面是Python 代碼的第一部分（見下圖）。

　　在開始下一步前，可将Python 代碼複制到一個新檔案，并把該檔案命名為xmodControl.py。在這段代碼中，你需要一些額外的引用聲明4，用于直接擷取鍵盤的輸入，而無須敲擊Enter鍵。這會讓實時互動更加及時。getch() 函數接收實際按鍵的狀态。

　　其餘代碼看起來和之前的程式差不多，該程式的第二部分如下所示（見下圖）。

　　代碼的第二部分是一個while 循環，用來不斷獲得輸入指令并轉換為你的遙控小車的指令：前進、後退、向左轉、向右轉。這個程式相當簡單，也許你會想要加入更多的指令，進而提供更多的方式控制速度和方向。

遠端通路遙控小車

　　雖然你現在可以控制小車了，但若想要擺脫那些連接配接線的束縛，實作對小車的遠端控制，則還需要添加無線區域網路裝置到樹莓派中。下面我們來學習如何實作這個功能。實作該功能的第一步是安裝無線區域網路裝置。雖然有幾種可選的方案來實作，但是我們建議你采用效果較好、參考資料齊全的一種，詳情可通路https://learn.adafruit.com/setting-upa-raspberry-pi-as-a-wifi-access-point/overview 來擷取。

　　你現在已能夠通過無線接入點連接配接樹莓派。 一旦你已建立了無線連接配接，就可以通過VNC連接配接登入，通過這種方式你還可以給自己的小車增加一個USB 攝像頭，這樣會讓控制更加容易。

　　為達此目的，首先下載下傳一個能支援VNC連接配接的應用程式。vncserver 程式完全可以滿足你的需求。

　　你可以在樹莓派終端視窗中鍵入sudo apt-get install tightvncserver 指令，将程式安裝在樹莓派上。

TightVNC Server 是一個允許你遠端檢視完整圖形化桌面的應用程式。當你安裝了該程式後，就可以通過下述指令進行操作：

　　1. 在樹莓派的終端視窗中鍵入vncserver 指令啟動伺服器。

　　2. 根據提示你需要輸入密碼并确認，然後系統會詢問你是否需要一個隻供浏覽的密碼。

記住你輸入的密碼，使用VNC Viewer 遠端登入時要用到這個密碼。

　　3. 在你的遠端計算機上要有一個VNC Viewer( 連接配接浏覽器)，Windows 的使用者可選擇一個名為RealVNC 的軟體， 它可以在http://www.realvnc.com/download/viewer/ 下載下傳。當運作該軟體時，你會看到如下界面（見下圖）。

　　4. 輸入VNC 伺服器位址，也就是你樹莓派的IP 位址，然後單擊Connect（連接配接）。你會看到一個未加密連接配接的提示警告，選擇Continue（繼續），接着你會看到如下的彈出對話框（見下圖。

　　5. 輸入你在樹莓派上啟動VNC 服務時所輸入的密碼，然後你就能看到樹莓派的圖形界面了，看起來類似于下面的螢幕截圖（見下圖）。

　　現在你可以通路系統的所有功能。然而，由于傳遞的是圖形資料，是以這些功能的響應速度比較慢。為了避免你在每次啟動樹莓派時都輸入vncserver 指令，可以使用http://www.havetheknowhow.com/Configure-the-server/Run-VNC-on-boot.html 中提供的指令。

　　VNC 伺服器也可在Linux 上使用。你可以用一個被稱為Remote Desktop Viewer（遠端桌面浏覽器）的軟體遠端檢視樹莓派的圖形化使用者界面（GUI）。如果你還沒有安裝這個軟體，則可以根據你使用的Linux 系統版本，通過軟體應用更新程式進行安裝。一旦你安裝了這個軟體，執行以下的步驟：

　　1.運作軟體，你可以看到下面的界面（見下圖）。

　　2.确認VNC 伺服器正在樹莓派上運作，最簡單的方法就是使用SSH 登入，然後在提示下運作vncserver。現在在Remote Desktop Viewer 界面中單擊Connect，接着會出現一個視窗，在Protocol 選項下，選擇VNC，然後你會看到如下的螢幕截圖（見下圖）。

　　3. 現在輸入主機IP 位址，确認你在結尾處包括了a:1，然後單擊Connect。還需要輸入VNC 伺服器密碼，這個密碼是你在樹莓派上第一次運作vncserver 指令時輸入的密碼，如下圖所示。

　　這時候就可以看到樹莓派的圖形界面了。現在，你需要檢視連接配接到小車的USB 網絡攝像頭拍攝的畫面。這個相當容易，隻需要插入USB 網絡攝像頭，然後下載下傳一個視訊播放器軟體。推薦你使用luvcview。如需要安裝，鍵入sudo apt-get install luvcview 指令即可。

　　所有工具都準備好後，你現在可以運作vncview 了，這将生成一個luvcview 視窗，通過這個視窗就可以看到攝像頭捕獲的畫面，并且通過執行你之前編寫的xcmodControl.py 代碼遠端控制小車。螢幕看起來像下面這樣（見下圖）。

　　接下來，你還可以創造許多附加功能到你的樹莓派小車上，比如說加入操作杆控制或者更多的自主要制。

零部件

　　★ 本文使用的零部件清單如下。

　　（1）Pixhark 飛控，本書中使用樹莓派3 作為替代方案。

　　（2）電機4 個。

　　（3）軸距在450mm 的四軸飛行支架。

　　（4）直徑是10 英寸，螺距為4.7 的螺旋槳。

　　（5）沉金F450 機架。

　　（6）方達11.1V 控電。

　　（7）兩個5 号無人機搖桿電池。

　　（8）MPU6050 子產品。

　　★ 掃描下方二維碼購買上述零部件。

　　本文選自《樹莓派機器人藍圖權威寶典》。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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