智能小车案例：基于Raspberry Pi的自动巡航与避障系统

news2024/12/27 0:50:02

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()