项目背景
随着物联网技术的不断发展,智能小车成为了现代生活和工业自动化中的重要工具。为了实现智能小车的自动巡航与避障功能,我们采用了Raspberry Pi作为主控制器,结合传感器和执行器,构建了一个完整的系统。
所需材料
- Raspberry Pi(树莓派)开发板
- 电机驱动器(L298N)
- 超声波传感器(HC-SR04)
- 直流电机
- 电源和数据线
- Raspberry Pi的GPIO扩展板
- Bash命令行环境
安装与配置
首先,确保你的Raspberry Pi已经安装了操作系统并且可以通过SSH或VNC连接到它。
连接所有硬件:将电机驱动器、超声波传感器连接到GPIO扩展板上,然后将直流电机连接到电机驱动器的输出端。
安装必要的软件包:通过SSH连接到Raspberry Pi并运行以下命令安装所需软件包:
sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-pip wiringpi
代码实现
以下是一个简单的Python脚本,用于控制智能小车的自动巡航与避障功能:
#!/usr/bin/env python3
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import threading # 定义GPIO引脚编号模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM) # 定义电机引脚和传感器引脚
MOTOR_LEFT = 23 # 左电机正转/反转引脚
MOTOR_RIGHT = 24 # 右电机正转/反转引脚
ECHO = 25 # 超声波传感器发射端引脚
TRIG = 26 # 超声波传感器接收端引脚 # 设置GPIO引脚为输出模式
GPIO.setup(MOTOR_LEFT, GPIO.OUT)
GPIO.setup(MOTOR_RIGHT, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)
GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT) # 定义电机驱动函数
def drive_forward(): GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.HIGH) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) time.sleep(1) # 前进1秒 GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) # 停止电机 def drive_backward(): GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.HIGH) time.sleep(1) # 后退1秒 GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) # 停止电机 def turn_left(): GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.HIGH) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) time.sleep(0.5) # 左转0.5秒 GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) # 停止电机 def turn_right(): GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.HIGH) time.sleep(0.5) # 右转0.5秒 GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) # 停止电机 def stop(): GPIO.output(MOTOR_LEFT, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_RIGHT, GPIO.LOW) # 停止电机和所有动作 time.sleep(1) # 保持停止状态1秒,以便检查是否应该继续移动或避障 GPIO.cleanup() # 清理GPIO设置,返回初始状态(低电平) exit() # 退出程序(可选)或执行其他操作(如循环检测等)以继续控制小车移动或避障。
避障逻辑实现
为了实现避障功能,我们使用了多线程编程。一个线程用于控制小车的前进,另一个线程用于检测障碍物。当检测到障碍物时,避障线程会发送一个信号给主线程,主线程接收到信号后执行避障操作。
避障逻辑如下:
- 启动避障线程,该线程会持续检测超声波传感器的值。
- 如果检测到障碍物(超声波传感器值小于某个阈值),则发送一个信号给主线程。
- 主线程接收到避障信号后,执行避障操作(例如停止、后退、左转或右转)。
- 避障完成后,继续前进。
你可以根据需要调整避障逻辑,例如增加更多的避障策略或调整传感器阈值。
当然,以下是一个简单的Python代码示例,用于实现避障逻辑:
import RPi.GPIO as GPIO
import time # 设定GPIO引脚
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO_TRIGGER = 18
GPIO_ECHO = 24 # 初始化超声波传感器引脚为输出模式
GPIO.setup(GPIO_TRIGGER, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GPIO_ECHO, GPIO.IN) # 定义避障逻辑函数
def避障(): # 发送10微秒的脉冲信号触发超声波传感器 GPIO.output(GPIO_TRIGGER, True) time.sleep(0.00001) GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False) start_time = time.time() end_time = time.time() # 等待超声波传感器的返回信号 while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 0: start_time = time.time() while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 1: end_time = time.time() # 计算距离(单位:厘米) distance = (end_time - start_time) * 34300 / 2 if distance < 20: # 设定距离阈值为20厘米 print("检测到障碍物,执行避障操作") # 这里可以添加避障操作的代码,例如停止、后退、左转或右转等 # 清理GPIO资源 GPIO.cleanup()
这只是一个简单的智能小车案例,你可以根据需求进行更多的扩展和改进。例如,增加更多的传感器、实现更复杂的导航算法、加入Wi-Fi控制等。 使用GPIO引脚时需要注意安全问题,特别是对于初学者,建议在熟悉Raspberry Pi和GPIO操作之后再进行更深入的探索和开发。