基于树莓派的超声波避障小车

孙智勇 戴文翔 程文龙

摘要：如今越来越多人走出课本不拘泥于文字之上，他们更多的边做边学，树莓派就是其中一个很好的例子，不少人会去拿树莓派去控制小灯，或通过树莓派来实现网页对小车的控制，更有甚者用树莓派来做智能家居。该文则介绍一个相对简单些的利用超声波来做避障小车，以树莓派为核心通过它L298n的控制来控制小车，利用超声波传感器来实时监测小车与障碍物之间的距离，利用算法来实现避障

关键词：超声波传感器；Raspberry；树莓派

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）30-0206-02

1 硬件组成

（1）避障小车硬件组成包括：小车底盘、4个车轮、四个直流电机、超声波测距传感器模块、电源盒、移动电源（也可直接通过5v电源接口直接使用）、无线网卡、树莓派。注：如果使用的板子是3个轮子的，则3个车轮中，两个前轮由直流电机直接驱动，后轮选择万向轮。

（2）电源部分：包括四节1.5V（5号）电池，5000毫安移动电源。四节1.5V（5号）电池为L298n提供6V电压，5000毫安移动电源为树莓派提供稳定的5V电压。

（3）驱动部分：包括小车底盘、L298n电机驱动、直流电机（2/4个）。3轮小车需要L298n驱动前轮，配合万向轮实现前进、后退以及左右转向。

（4）主控制部分：树莓派。树莓派通过L298n控制直流电机转动，全方向达到移动的目的。树莓连接超声波测距模块，以达到实时测量与障碍物的距离。从而可以做到小车再碰到障碍物之前能按预设避让方式进行避让，最终实现智能避让。

（5）传感器部分：超声波测距传感器模块连与树莓派，正常工作时，超声波测距传感器模块的工作电压为5V左右，电压会下降0.1V左右。传感器通过向空中发送超声波脉冲并测量反弹所需的时间来工作。该值可以用于计算脉冲行进的距离进而产生信号，是树莓派执行避让语句。

注意点：找到距离的计算依赖于声音的速度，这随温度而变化。脚本根据预定义的温度计算要使用的正确值。如果需要可以更改此值，或者使用温度传感器动态测量该值。

2 软件编译

（1）定义接口控制轮子：

import RPi.GPIO as gpio

import time

GPIO.setwarnings（False）

GPIO.setmode（GPIO.BCM）

zuoqian = 7

zuohou = 11

youqian = 15

youhou = 13

注：首先没有HDMI线的人可以直接通过putty通过树莓派ip来远程登录树莓派，账户名为：pi，密码为raspberry（密码不可见）在树莓派上首次使用引脚时，首先要通过sudo apt-get install python-dev指令安装Python——dev（dev： 开发包，包含相关库和头文件，用于开发用），然后使用sudo pip install rpi.gpio指令安装适用于Python的GPIO模块。

接着你可以使用vim编译器或者也是用nano编译器，指令为：sudo vim +文件名.py或者sudo nano +文件名。py（注：树莓派默认的是没有安装vim编译器的，所以要通过sudo apt-get install -y vim指令安装。而nano为大部分Linux系统的默认编译器，还有两种简易方式，一种使用树莓派的可视化界面，第二种是使用WinSCP直接进入树莓派内部文件。

（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调用BOARD编号方式。

因为树莓派需要通过L298n来控制直流电机，所以连接7，11，13，15这几个GPIO端口且要为输出端。而与红外避障模块相连GPIO端口，因为需要其收集的路况信息，所以设置为输入端

（3）定义基础方向：

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：定义基础方向时要注意L298n的安装朝向，gpio7和gpio11应相对应接右边，而gpio15及gpio13口应相对应左侧，注意同侧间可能会有与直流电机出现正负极顺序错误的可能，极有可能形成左右轮转向相反，小车方向控制不了的情况。

第一个（qianjin）代码使得左右轮都问前进；同理后退（houtui）代码的false与ture指令与第一个相反则形成后退。

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（）

此条指令（左轉）则通过gpio.output（7，Fals），gpio.output（11，False） 两个代码使得左边轮子停止而右边的两个gpio接口依旧正常使得右边向前则形成的左转，右转也是同样的道理在这里就不一一赘述了。

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（）

最后一个是（停止）指令四个gpio口的指令都为False，使得四轮子全部停止。即形成了指令。

最后我们要注意的是Python对空格极为敏感，有可能我们没有观察出来的地方没对齐，或某处忘缩进就会造成程序错误。所以最好统一使用Tap键缩进，或者统一使用空格键。

（4）超声波测距传感器的连接与编辑：

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：通过gpio.output（12，True）指令发出触发信号保持10us以上，从发现高电平时开始计时记为t1，当高电平结束时停止计时记为t2，由此可计算t1，t2的时间差从而通过公式：（t1-t2）*3400/2来计算出距离。

通过先定义小车前后左右的动作和测算距离后，我们就可以令小车进行距离判断进行相应的动作了。

dis = int（checkdistance（））

print（dis）

If dis<=30

print”distance less than 0.30m and back

Int（）

houtui（1）

这只是定义了一个选择更多的可以通过对距离的判断来做。

3 结语

本文中的超声波小车不过是树莓派众多实验中的九牛一毛，但实验中的步骤多相似之处，像编程语言的注意事项和工具等这些都是基础也是需要加强的地方，所以我们要加强对Python和C++的学习，从中发现乐趣。

参考文献：

[1] 胖若两人.[树莓派]树莓派小车（三）Python控制小车（简书网）

[2] 赵贵生.一起来玩树莓派.www.sentdex.com（一工程师教程）

【通联编辑：代影】