眾所周知，樹(shù)莓派是一個(gè)基于ARM微處理器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力，它在廣大電子愛(ài)好者中經(jīng)常會(huì)創(chuàng)造出奇跡。為了更好地了解樹(shù)莓派及其工作原理，讓我們嘗試使用樹(shù)莓派制作一個(gè)巡線機(jī)器人。

如果你對(duì)機(jī)器人感興趣，那么你應(yīng)該非常熟悉“巡線機(jī)器人”這個(gè)名稱。這種機(jī)器人只需使用一對(duì)傳感器和馬達(dá)就能沿著線行走。使用樹(shù)莓派制造這樣一個(gè)機(jī)器人，會(huì)讓我們打開(kāi)更大的想象空間。

尋線機(jī)器人的原理

尋線機(jī)器人能夠在紅外傳感器的幫助下跟蹤線條。紅外線傳感器具有紅外線發(fā)射器和紅外線接收器，其中，紅外線發(fā)射器（紅外LED）主要發(fā)射光，它發(fā)射出的紅外線只有在被反射時(shí)才會(huì)返回。接收器（光電二極管）則等待接收返回后的紅外光。然而，不是所有的表面都能反射紅外線，只有白色的表面才能完全反射紅外線，而黑色的表面會(huì)吸收紅外光。

使用這樣的兩個(gè)紅外傳感器來(lái)隨時(shí)檢查機(jī)器人是否處于軌道上，如果機(jī)器人偏離軌道，我們就通過(guò)兩個(gè)電機(jī)來(lái)校正它。電機(jī)應(yīng)該是雙向旋轉(zhuǎn)的，而且需要的工作電流較大，因此，我們需要額外使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，如L293D。機(jī)器人還需要一個(gè)像樹(shù)莓派（Raspberry Pi）這樣的主控大腦，它會(huì)根據(jù)紅外傳線傳感器模塊的數(shù)值來(lái)指示電機(jī)工作。下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的控制原理圖。

兩個(gè)紅外傳感器被放置在軌道線的兩側(cè)。如果沒(méi)有傳感器檢測(cè)到黑線，樹(shù)莓派將命令電機(jī)向前移動(dòng)，如下所示：

如果左邊的傳感器檢測(cè)到黑線，那么樹(shù)莓派就會(huì)命令機(jī)器人，通過(guò)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)右邊的輪子，使機(jī)器人向左轉(zhuǎn)。

如果右邊的傳感器檢測(cè)到黑線，那么樹(shù)莓派就會(huì)命令機(jī)器人，通過(guò)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)左邊的輪子，使機(jī)器人向右轉(zhuǎn)。

如果兩個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線，機(jī)器人就會(huì)停止。

這樣，機(jī)器人就能夠在不脫離軌道的情況下沿著軌道線一直前進(jìn)。下面讓我們看看電路和代碼。

樹(shù)莓派尋線機(jī)器人電路圖

在這個(gè)電路中，包含了兩個(gè)紅外線傳感器模塊和一對(duì)連接到樹(shù)莓派的直流電機(jī)。整個(gè)電路由一個(gè)移動(dòng)電源供電（在電路中用電池來(lái)表示）。同時(shí)，由于樹(shù)莓派電路板上并沒(méi)有提供針腳的描述，我們需要用下面的圖片來(lái)驗(yàn)證每一個(gè)引腳的接口定義。圖片是基于樹(shù)莓派2B的，如果你采用樹(shù)莓派3B，也可以查閱： 樹(shù)莓派3的外圍I/O數(shù)據(jù)接口

如上圖所示，左上角的引腳是+5V引腳，我們使用這個(gè)+5V引腳給紅外傳感器供電，如圖所示(紅色線)。然后，我們用黑色線將GND引腳連接到紅外線傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的GND。黃線分別將傳感器1和2的輸出引腳與GPIO引腳2和3連接起來(lái)。同時(shí)，要驅(qū)動(dòng)電機(jī)，我們需要連接L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的四個(gè)引腳(A,B,A,B)。這四個(gè)引腳分別與樹(shù)莓派的GPIO14,4,17和18連接。電機(jī)與L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接，驅(qū)動(dòng)模塊使用電池供電。一定要將電池的負(fù)極與樹(shù)莓派的接地連接起來(lái)，這樣才能保證電路的正常工作。

樹(shù)莓派編程

首先需要導(dǎo)入GPIO，下面的函數(shù)是對(duì)樹(shù)莓派的GPIO引腳進(jìn)行編程。我們還將“GPIO”重命名為“IO”，所以在程序中，每當(dāng)我們想要引用GPIO引腳時(shí)，我們都會(huì)使用“IO”這個(gè)詞。

import RPi.GPIO as IO

有時(shí)，當(dāng)我們?cè)噲D使用某個(gè)GPIO引腳時(shí)，可能它正在執(zhí)行一些其他功能。在這種情況下，當(dāng)我們執(zhí)行程序時(shí)會(huì)收到警告。下面的命令是告訴樹(shù)莓派忽略警告繼續(xù)執(zhí)行程序。

IO.setwarnings(False)

我們可以參考樹(shù)莓派的GPIO引腳定義，無(wú)論是采用電路板上的引腳號(hào)碼或采用引腳的功能號(hào)碼，比如，電路板上的“PIN 29”是“GPIO5”。所以在這里，我們要用下面的代碼告訴樹(shù)莓派具體用的是“29”還是“5”來(lái)表示引腳號(hào)。

IO.setmode (IO.BCM)

我們前面說(shuō)到，電路中將設(shè)置6個(gè)引腳作為輸入/輸出引腳。前兩個(gè)引腳是讀取紅外線傳感器數(shù)據(jù)的輸入引腳。后四個(gè)是輸出引腳，前兩個(gè)用于控制右電機(jī)，后兩個(gè)用于控制左電機(jī)。

IO.setup(2,IO.IN) #GPIO 2 -> Left IR out

IO.setup(3,IO.IN) #GPIO 3 -> Right IR out

IO.setup(4,IO.OUT) #GPIO 4 -> Motor 1 terminal A

IO.setup(14,IO.OUT) #GPIO 14 -> Motor 1 terminal B

IO.setup(17,IO.OUT) #GPIO 17 -> Motor Left terminal A

IO.setup(18,IO.OUT) #GPIO 18 -> Motor Left terminal B

紅外傳感器如果檢測(cè)到白色的面，將輸出“True”，所以只要兩個(gè)傳感器的狀態(tài)都是“True”，機(jī)器人就可以繼續(xù)前進(jìn)。

if(IO.input(2)==True and IO.input(3)==True): #both white move forward

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,False) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,False) #2B-

如果右邊的紅外傳感器檢測(cè)到黑線，機(jī)器人將執(zhí)行右轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)條件滿足時(shí)，停止右電機(jī)，單獨(dú)旋轉(zhuǎn)左電機(jī)，如下面的代碼所示：

elif(IO.input(2)==False and IO.input(3)==True): #turn right

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,True) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,False) #2B-

如果左紅外傳感器檢測(cè)到黑線，機(jī)器人將執(zhí)行左轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)條件滿足時(shí)，停止左電機(jī)，單獨(dú)旋轉(zhuǎn)右電機(jī)，如下面的代碼所示：

elif(IO.input(2)==True and IO.input(3)==False): #turn left

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,False) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,True) #2B-

如果兩個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線，這意味著機(jī)器人執(zhí)行停止動(dòng)作。這可以通過(guò)設(shè)置電機(jī)的兩個(gè)端子都為“True”來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下面的代碼所示：

else: #stay still

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,True) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,True) #2B-

完成變成后，我們可以在白色的瓷磚地面，用黑色膠帶粘貼出我們想要的軌道線形狀，這樣就可以開(kāi)始享受機(jī)器人巡線的樂(lè)趣了。下面是完整的Python代碼，將其保存到樹(shù)莓派上，在樹(shù)莓派命令窗口中執(zhí)行代碼即可。

import RPi.GPIO as IO

import time

IO.setwarnings(False)

IO.setmode(IO.BCM)

IO.setup(2,IO.IN) #GPIO 2 -> Left IR out

IO.setup(3,IO.IN) #GPIO 3 -> Right IR out

IO.setup(4,IO.OUT) #GPIO 4 -> Motor 1 terminal A

IO.setup(14,IO.OUT) #GPIO 14 -> Motor 1 terminal B

IO.setup(17,IO.OUT) #GPIO 17 -> Motor Left terminal A

IO.setup(18,IO.OUT) #GPIO 18 -> Motor Left terminal B

while 1:

if(IO.input(2)==True and IO.input(3)==True): #both while move forward

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,False) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,False) #2B-

elif(IO.input(2)==False and IO.input(3)==True): #turn right

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,True) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,False) #2B-

elif(IO.input(2)==True and IO.input(3)==False): #turn left

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,False) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,True) #2B-

else: #stay still

IO.output(4,True) #1A+

IO.output(14,True) #1B-

IO.output(17,True) #2A+

IO.output(18,True) #2B-