基于樹莓派的超聲波避障小車

孫智勇 戴文翔 程文龍

摘要：如今越來越多人走出課本不拘泥于文字之上，他們更多的邊做邊學，樹莓派就是其中一個很好的例子，不少人會去拿樹莓派去控制小燈，或通過樹莓派來實現網頁對小車的控制，更有甚者用樹莓派來做智能家居。該文則介紹一個相對簡單些的利用超聲波來做避障小車，以樹莓派為核心通過它L298n的控制來控制小車，利用超聲波傳感器來實時監測小車與障礙物之間的距離，利用算法來實現避障

關鍵詞：超聲波傳感器；Raspberry；樹莓派

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：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個車輪、四個直流電機、超聲波測距傳感器模塊、電源盒、移動電源（也可直接通過5v電源接口直接使用）、無線網卡、樹莓派。注：如果使用的板子是3個輪子的，則3個車輪中，兩個前輪由直流電機直接驅動，后輪選擇萬向輪。

（2）電源部分：包括四節1.5V（5號）電池，5000毫安移動電源。四節1.5V（5號）電池為L298n提供6V電壓，5000毫安移動電源為樹莓派提供穩定的5V電壓。

（3）驅動部分：包括小車底盤、L298n電機驅動、直流電機（2/4個）。3輪小車需要L298n驅動前輪，配合萬向輪實現前進、后退以及左右轉向。

（4）主控制部分：樹莓派。樹莓派通過L298n控制直流電機轉動，全方向達到移動的目的。樹莓連接超聲波測距模塊，以達到實時測量與障礙物的距離。從而可以做到小車再碰到障礙物之前能按預設避讓方式進行避讓，最終實現智能避讓。

（5）傳感器部分：超聲波測距傳感器模塊連與樹莓派，正常工作時，超聲波測距傳感器模塊的工作電壓為5V左右，電壓會下降0.1V左右。傳感器通過向空中發送超聲波脈沖并測量反彈所需的時間來工作。該值可以用于計算脈沖行進的距離進而產生信號，是樹莓派執行避讓語句。

注意點：找到距離的計算依賴于聲音的速度，這隨溫度而變化。腳本根據預定義的溫度計算要使用的正確值。如果需要可以更改此值，或者使用溫度傳感器動態測量該值。

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：首先沒有HDMI線的人可以直接通過putty通過樹莓派ip來遠程登錄樹莓派，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，首先要通過sudo apt-get install python-dev指令安裝Python——dev（dev： 開發包，包含相關庫和頭文件，用于開發用），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：樹莓派默認的是沒有安裝vim編譯器的，所以要通過sudo apt-get install -y vim指令安裝。而nano為大部分Linux系統的默認編譯器，還有兩種簡易方式，一種使用樹莓派的可視化界面，第二種是使用WinSCP直接進入樹莓派內部文件。

（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調用BOARD編號方式。

因為樹莓派需要通過L298n來控制直流電機，所以連接7，11，13，15這幾個GPIO端口且要為輸出端。而與紅外避障模塊相連GPIO端口，因為需要其收集的路況信息，所以設置為輸入端

（3）定義基礎方向：

def qianjin（timerun）：

init（）

gpio.output（7，True）

gpio.output（11，False）

gpio.output（15，True）

gpio.output（13，False）

time.sleep（timerun）

gpio.cleanup（）

注：定義基礎方向時要注意L298n的安裝朝向，gpio7和gpio11應相對應接右邊，而gpio15及gpio13口應相對應左側，注意同側間可能會有與直流電機出現正負極順序錯誤的可能，極有可能形成左右輪轉向相反，小車方向控制不了的情況。

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

def zuozhuan（timerun）：

init（）

gpio.output（7，False）

gpio.output（11，False）

gpio.output（15，True）

gpio.output（13，False）

time.sleep（timerun）

gpio.cleanup（）

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

def tingzhi（timerun）：

init（）

gpio.output（7，False）

gpio.output（11，False）

gpio.output（15，False）

gpio.output（13，False）

time.sleep（timerun）

gpio.cleanup（）

最后一個是（停止）指令四個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對空格極為敏感，有可能我們沒有觀察出來的地方沒對齊，或某處忘縮進就會造成程序錯誤。所以最好統一使用Tap鍵縮進，或者統一使用空格鍵。

（4）超聲波測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，False）

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gpio.output（12，True）指令發出觸發信號保持10us以上，從發現高電平時開始計時記為t1，當高電平結束時停止計時記為t2，由此可計算t1，t2的時間差從而通過公式：（t1-t2）*3400/2來計算出距離。

通過先定義小車前后左右的動作和測算距離后，我們就可以令小車進行距離判斷進行相應的動作了。

dis = int（checkdistance（））

print（dis）

If dis<=30

print”distance less than 0.30m and back

Int（）

houtui（1）

這只是定義了一個選擇更多的可以通過對距離的判斷來做。

3 結語

本文中的超聲波小車不過是樹莓派眾多實驗中的九牛一毛，但實驗中的步驟多相似之處，像編程語言的注意事項和工具等這些都是基礎也是需要加強的地方，所以我們要加強對Python和C++的學習，從中發現樂趣。

參考文獻：

[1] 胖若兩人.[樹莓派]樹莓派小車（三）Python控制小車（簡書網）

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

【通聯編輯：代影】