树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（四）红外避障

张国平

修改于 2021-06-02 10:58:34

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一、介绍

树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（一）蜂鸣器

树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（二）轻触按键

树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（三）基本运动

本实验将实现履带车的红外避障功能，这个也比较简单，在以前的文章中有更基础细致的讲解可以参考：

树莓派基础实验28：红外避障传感器实验

树莓派综合项目2：智能小车（五）红外避障

本实验中不同的是采用了E18-D80NK漫反射式红外光电开关避障传感器模块。同时除了使用RPi.GPIO库编程以外，再使用gpiozero库来实现。

红外传感器避障

二、组件

三、实验原理

E18-D80NK红外光电模块

E18-D80NK是一种及发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的物体（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测到的最大距离也不同，白色物体最远，黑色物体最近）。

检测障碍物的距离可以根据要求，通过尾部的电位器旋钮进行调节。

E18-D80NK的参数

这个NPN型光电开关的输出组是0或1，即数字电路中的高电平与低电平。检测到目标是低电平输出，正常状态是高电平输出。光电开关就三条线：电源、地、输出，输出不需要进行AD转换。

四、实验步骤

第1步： 在上面的扩展板TB6612FNG芯片电路图上可以知道连接GPIO的接线情况，A通道为左轮控制，B通道为右轮控制：

PWMA	AIN1	AIN2	PWMB	BIN1	BIN2
GPIO18	GPIO22	GPIO27	GPIO23	GPIO25	GPIO24

左侧红外模块输出	右侧红外模块输出
GPIO12	GPIO16

第2步： 编写程序。这里先使用RPi.GPIO库来编写程序，当按下按键后车辆开始行进，左右都没探测到障碍物时直行，左侧探测到障碍物时右转，右侧探测到障碍物时左转，否则就是左右都探测到障碍物停止0.3秒，再后退0.4秒，再左转0.5秒。

#!/usr/bin/python  
# coding=utf-8  
#本段代码实现树莓派智能小车的红外避障效果
#代码使用的树莓派GPIO是用的BCM编码方式。

import RPi.GPIO as GPIO  
import time  
import sys 
 
SensorRight = 16
SensorLeft  = 12

PWMA   = 18
AIN1   = 22
AIN2   = 27

PWMB   = 23
BIN1   = 25
BIN2   = 24

BtnPin  = 19
Gpin    = 6
Rpin    = 5

#智能小车运动函数 
def t_up(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,False)#AIN2
        GPIO.output(AIN1,True) #AIN1

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,False)#BIN2
        GPIO.output(BIN1,True) #BIN1
        time.sleep(t_time)
        
def t_stop(t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
        GPIO.output(AIN2,False)#AIN2
        GPIO.output(AIN1,False) #AIN1

        R_Motor.ChangeDutyCycle(0)
        GPIO.output(BIN2,False)#BIN2
        GPIO.output(BIN1,False) #BIN1
        time.sleep(t_time)
        
def t_down(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,True)#AIN2
        GPIO.output(AIN1,False) #AIN1

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,True)#BIN2
        GPIO.output(BIN1,False) #BIN1
        time.sleep(t_time)

def t_left(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,True)#AIN2
        GPIO.output(AIN1,False) #AIN1

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,False)#BIN2
        GPIO.output(BIN1,True) #BIN1
        time.sleep(t_time)

def t_right(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,False)#AIN2
        GPIO.output(AIN1,True) #AIN1

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,True)#BIN2
        GPIO.output(BIN1,False) #BIN1
        time.sleep(t_time)
        
def keysacn():
    # 按下按键后，车辆才行进
    val = GPIO.input(BtnPin)
    while GPIO.input(BtnPin) == False:
        val = GPIO.input(BtnPin)
    while GPIO.input(BtnPin) == True:
        time.sleep(0.01)
        val = GPIO.input(BtnPin)
        if val == True:
            GPIO.output(Rpin,1)
            while GPIO.input(BtnPin) == False:
                GPIO.output(Rpin,0)
        else:
            GPIO.output(Rpin,0)
            
def setup():
    GPIO.setwarnings(False)
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)       # 按物理位置给GPIOs编号
    GPIO.setup(Gpin, GPIO.OUT)     # 设置绿色Led引脚模式输出
    GPIO.setup(Rpin, GPIO.OUT)     # 设置红色Led引脚模式输出
    GPIO.setup(BtnPin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)    # 设置输入BtnPin模式，拉高至高电平(3.3V) 
    GPIO.setup(SensorRight,GPIO.IN)
    GPIO.setup(SensorLeft,GPIO.IN)
    
    GPIO.setup(AIN2,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(AIN1,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(PWMA,GPIO.OUT)

    GPIO.setup(BIN1,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(BIN2,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(PWMB,GPIO.OUT)
    
if __name__ == '__main__':
    setup()
    keysacn()
    L_Motor= GPIO.PWM(PWMA,100)
    L_Motor.start(0)
    R_Motor = GPIO.PWM(PWMB,100)
    R_Motor.start(0)
    try:
        while True:
            SR_2 = GPIO.input(SensorRight)
            SL_2 = GPIO.input(SensorLeft)
            if SL_2 == True and SR_2 == True: # 高电平表示无障碍
                print("t_up")
                t_up(50,0)
            elif SL_2 == True and SR_2 ==False:
                print("Left")
                t_left(50,0)
            elif SL_2==False and SR_2 ==True:
                print("Right")
                t_right(50,0)
            else:
                t_stop(0.3)
                t_down(50,0.4)
                t_left(50,0.5)
    except KeyboardInterrupt:  # 当按下Ctrl+C时，将执行子程序destroy()。
        GPIO.cleanup()

第3步：使用GPIO Zero库来重新编写程序，引入了Button，Motor，LED，LineSensor几个基本类，使得程序变得简洁易懂，降低了编程难度，特别是等待按键按下的keysacn()函数简化为了两句。

#!/usr/bin/python  
# coding=utf-8  
#本段代码实现树莓派智能小车的红外避障效果
#代码使用的树莓派GPIO是用的BCM编码方式。
from gpiozero import Button,Motor,LED,LineSensor  # LineSensor为红外线路传感器
import time  
 
SensorRight = 16
SensorLeft  = 12
sR = LineSensor(SensorRight)
sL = LineSensor(SensorLeft)

PWMA   = 18
AIN1   = 22
AIN2   = 27
PWMB   = 23
BIN1   = 25
BIN2   = 24
L_Motor = Motor(forward=AIN1, backward=AIN2,enable=PWMA,pwm=True)
R_Motor = Motor(forward=BIN1, backward=BIN2,enable=PWMB,pwm=True)

BtnPin  = 19
button = Button(BtnPin,pull_up = False) # 默认情况下True，GPIO引脚将被拉高,这里接线反了，要为False

Gpin    = 6
Rpin    = 5
Gled = LED(Gpin)
Rled = LED(Rpin)

#智能小车运动函数 
def t_up(speed,t_time):
        L_Motor.forward(speed)
        R_Motor.forward(speed)
        time.sleep(t_time)
        
def t_stop(t_time):
        L_Motor.stop()
        R_Motor.stop()
        time.sleep(t_time)
        
def t_down(speed,t_time):
        L_Motor.backward(speed)
        R_Motor.backward(speed)
        time.sleep(t_time)

def t_left(speed,t_time):
        L_Motor.backward(speed)
        R_Motor.forward(speed)
        time.sleep(t_time)

def t_right(speed,t_time):
        L_Motor.forward(speed)
        R_Motor.backward(speed)
        time.sleep(t_time)  
        
def keysacn():
    button.wait_for_press() # 等待按钮按下后才继续执行程序
    Rled.on()
    
if __name__ == '__main__':
    keysacn()
    try:
        while True:
            if sL.value == 1 and sR.value == 1:
                print("t_up")
                t_up(0.5,0)
            elif sL.value == 1 and sR.value == 0:
                print("Left")
                t_left(0.5,0)
            elif sL.value == 0 and sR.value == 1:
                print("Right")
                t_right(0.5,0)
            else:
                print("Back")
                t_stop(0.3)
                t_down(0.5,0.4)
                t_left(0.5,0.5)
    except KeyboardInterrupt:  # 当按下Ctrl+C时，将执行子程序destroy()。
        print("Ending Program")