0
| 本文作者： AI研習(xí)社 | 2017-03-22 15:14 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者趙智沉，Google軟件工程師。來(lái)自知乎專欄：趙智沉的作坊。雷鋒網(wǎng)獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
從買第一個(gè)Arduino套裝開始，我接觸機(jī)器人有好幾年了，但直到最近才開始做完整的課題。期間有兩項(xiàng)技能為我打開了新世界的大門：Python和Linux。他們背后，是強(qiáng)大的開源社區(qū)。掌握了這兩樣工具的工具（元工具），你感覺網(wǎng)上遍地是趁手的兵器。
上周在公司內(nèi)部編程培訓(xùn)時(shí)，有一句話深得我心：我們是軟件工程師，不是程序員。我們的工作不是寫程序，而是合理使用工具解決問(wèn)題。在Google，如果你覺得自己不得不從零開始寫某項(xiàng)功能，只是你還沒(méi)有找到相應(yīng)的工具罷了。在開源社區(qū)更是如此。
這是一個(gè)遙控小車，通過(guò)紅外遙控或無(wú)線鍵盤可以控制小車的行動(dòng)和攝像頭的角度。TensorFlow實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攝像頭拍攝到的畫面，語(yǔ)音讀出它識(shí)別出的物體。所有代碼都放在我的GitHub上。
這個(gè)想法不是我的原創(chuàng)，來(lái)自Lukas Biewald去年九月寫的這篇博客。核心部分，TensorFlow識(shí)別攝像頭圖像并語(yǔ)音輸出，是我司人工智能工程師Pete Warden的開源工作。和原博客不同的是，制作過(guò)程中我加入了Arduino作為機(jī)械總控，也了解了Arduino和樹莓派對(duì)話的方法（串口通信）。期間用到了許多有用的技能和工具，在這里整理一下，歡迎同好們留言交流！
整個(gè)課題在命令行環(huán)境完成，沒(méi)有圖形界面。如果你不懂Linux系統(tǒng)，可能有些吃力。但是，你都開始玩機(jī)器人了，怎么能不學(xué)Linux呢？我是通過(guò)《鳥哥的Linux私房菜》自學(xué)Linux的，后來(lái)又嘗試從源代碼搭建Linux，終于克服在Windows系統(tǒng)環(huán)境長(zhǎng)大產(chǎn)生的對(duì)命令行的抗拒心理。相信我，克服這個(gè)障礙，你將打開新世界的大門。何況，用命令行工作才顯得更酷更極客，不是嗎？除了Linux，你還要懂C++和Python來(lái)完成這個(gè)課題。
另外，這篇文章主要介紹電子部分，不講機(jī)械和美工。如你看到的，這個(gè)小車丑破了我的審美底線，我沒(méi)花心思在外觀上。我希望以后做一些兼具美學(xué)和功能的電子課題，或許會(huì)和設(shè)計(jì)師朋友們合作！
首先，你需要一個(gè)最新款的Raspberry Pi，安裝好定制的Linux系統(tǒng)，連上無(wú)線網(wǎng)。你還需要一個(gè)官配攝像頭，并在樹莓派中設(shè)置為可用。你可以將樹莓派通過(guò)HDMI連接到顯示器，但更方便的做法是ssh遠(yuǎn)程登錄，這樣你就不用在調(diào)試過(guò)程中反復(fù)地把樹莓派從小車上拔線、取下、連屏幕、然后安裝回小車了，你可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程修改小車的內(nèi)核。甚至，我的Arduino程序也是通過(guò)樹莓派編寫、上傳、通信的，于是也免去了電腦連接Arduino的步驟，讓一切更流暢無(wú)縫。
樹莓派的Linux系統(tǒng)支持圖形桌面，你可以使用RealVNC（用于Windows）或TightVNC（用于Mac）遠(yuǎn)程登錄圖形桌面。（這個(gè)課題里不需要）
這是課題的核心部分，反而操作起來(lái)最簡(jiǎn)單，因?yàn)橐磺卸荚?a target="_blank" rel=nofollow>這里寫清楚了，按部就班就行。運(yùn)行代碼在這里。
注意：這里用了訓(xùn)練好的模型，即TensorFlow中預(yù)先給定了訓(xùn)練好的參數(shù)集，訓(xùn)練圖片庫(kù)是ImageNet。也就是說(shuō)，小車識(shí)別出的物體只能是圖片庫(kù)里包含的labels，也沒(méi)有“學(xué)習(xí)”的過(guò)程。
小車套件（robot chassis）很多，選你喜歡的一款。標(biāo)準(zhǔn)的套件包括一個(gè)基座，兩組馬達(dá)+輪子，一個(gè)萬(wàn)向輪，一個(gè)電池盒。這個(gè)課題不需要四驅(qū)，而且之后要用到的馬達(dá)控制器可能只支持兩個(gè)馬達(dá)。我用的是張堯姐送給我的第一個(gè)DIY套件：一個(gè)戳了很多洞的木板和3D打印出來(lái)的輪子和連接部件。這個(gè)恐怕是蘿卜太辣最早的套件，來(lái)自硅谷的創(chuàng)客空間。
現(xiàn)在，蘿卜太辣正式出品的“起源”套件已很完善，線上也有成熟的教學(xué)資源。這個(gè)課題里用到的舵機(jī)和金屬連接部件都來(lái)自堯姐送給我的第二個(gè)套件——“起源”套件。但從感情上來(lái)講，那套粗糙的木板套件讓我更親近，符合“用最簡(jiǎn)單的材料實(shí)現(xiàn)原型”的理念。
電源：樹莓派需要5V、2A電源，放在小車上的話需要一個(gè)電流足夠大的充電寶。連接樹莓派和Arduino的連接線同時(shí)也為Arduino供電。但是，馬達(dá)我用了外部電源（電池盒）。你會(huì)發(fā)現(xiàn)即使沒(méi)有外部電源，充電寶依然可以帶動(dòng)馬達(dá)（盡管很慢）。但是，好的習(xí)慣是機(jī)械部分獨(dú)立供電；邏輯電路部分由充電寶提供。
下一步，操控小車。這里有兩個(gè)方案，第一個(gè)不需要Arduino。我使用的是第二個(gè)。
我認(rèn)為單片機(jī)的精髓，不是尺寸小，而是豐富的GPIO（General Purpose Input-Output），它們是程序與外部世界對(duì)話的窗口。你看到的各種電子部件、探頭、焊接、面包板，都是在和GPIO打交道。你需要了解基本的電路知識(shí)，也需要知道它們?cè)趩纹瑱C(jī)上的排布。樹莓派有一個(gè)非常好用的GPIO Python庫(kù)：gpiozero，使用方法一目了然。
通常用四個(gè)端口控制馬達(dá)，分別連接兩個(gè)馬達(dá)的正負(fù)級(jí)，通過(guò)每個(gè)馬達(dá)的正向／逆向旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)／后退／轉(zhuǎn)向。實(shí)現(xiàn)雙向電流的標(biāo)準(zhǔn)電路模型是H橋接。你可以選購(gòu)一款最基本的H-bridge模塊。
因?yàn)槲沂诸^沒(méi)有H橋接，所以這個(gè)方案我沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。
我沒(méi)有H橋接，但有一個(gè)用于Arduino的Motor stacking shield，即Arduino上的H橋接。于是我干脆用Arduino負(fù)責(zé)機(jī)械（馬達(dá)+舵機(jī)），相當(dāng)于身體；樹莓派只負(fù)責(zé)圖像識(shí)別，相當(dāng)于大腦。
Arduino不是Linux系統(tǒng)，不能直接ssh進(jìn)去寫程序，需要在外寫好后編譯上傳。我用數(shù)據(jù)線連接了樹莓派和Arduino，在樹莓派上寫好程序后上傳。我發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常好用的命令行IDE：PlatformIO（也有很棒的圖形界面編輯器）。Linux上的安裝過(guò)程基于Python 2.7。你需要一些初始化，如果像我一樣是Arduino Uno主板，輸入以下命令即可：
pio init -b uno
Arduino的C++源代碼在這里。進(jìn)入這個(gè)文件夾后，輸入以下命令即可上傳：
pio run –target upload
后來(lái)我發(fā)現(xiàn)PlatformIO對(duì)于Arduino主板好像不支持C++11，如果你有這個(gè)需要，可以考慮inotool。
同樣有兩個(gè)方案：無(wú)線鍵盤，紅外遙控。兩個(gè)方案我都實(shí)現(xiàn)了。
如果你在上一步用了3.1，無(wú)線鍵盤操控模塊就可以直接嵌入到機(jī)械操控代碼中（我沒(méi)有實(shí)現(xiàn)）。如果你在上一步用了3.2，那么需要在樹莓派上將按鍵操作轉(zhuǎn)為機(jī)械控制信號(hào)（文本形式），通過(guò)串口通信（Serial Port）操控Arduino。
python代碼在這里，用到了我自己寫的庫(kù)，用來(lái)檢測(cè)鍵盤按鍵。這個(gè)庫(kù)將單次按鍵匹配到前進(jìn)／后退／轉(zhuǎn)／停止等行為；但我希望實(shí)現(xiàn)的是長(zhǎng)按鍵前進(jìn)／后退／轉(zhuǎn)，不按鍵時(shí)停止。但我始終沒(méi)有找到現(xiàn)成的庫(kù)（Update：據(jù)說(shuō)在PyGame里有）。
后來(lái)我試著通過(guò)背景線程（threading）和系統(tǒng)延時(shí)的方法寫了一個(gè)庫(kù)，但效果不太理想，系統(tǒng)延時(shí)和程序運(yùn)行時(shí)間帶來(lái)的誤差總是匹配不好，就放棄了?，F(xiàn)在代碼里用的是單次按鍵行動(dòng)／停止的方案。如果讀者有好的庫(kù)，請(qǐng)推薦！
有一點(diǎn)要注意，使用串口通信前需要disable login（既然你已經(jīng)ssh遠(yuǎn)程登錄了），這篇解釋比較清楚。
紅外的長(zhǎng)按返回的是一個(gè)單獨(dú)的值（REPEAT），這點(diǎn)就可以讓我很容易實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)按-車動(dòng)，不按-車?！?。此外，紅外遙控的代碼直接寫在Arduino的C++代碼里，不需要通過(guò)樹莓派和串口通信，更符合Arduino作為機(jī)械總控的設(shè)計(jì)原則。
PlatformIO不自帶紅外的庫(kù)，我用的是這個(gè)。PlatformIO使用第三方庫(kù)實(shí)在太簡(jiǎn)單了，不需要下載安裝，直接在配置里加上GitHub鏈接即可，參考我的配置文件。
還有一點(diǎn)，每一個(gè)紅外遙控都不一樣。家里的電視機(jī)、音響、空調(diào)遙控都可以用，你只需要在使用前匹配好按鍵和對(duì)應(yīng)的碼。我在代碼里define的一堆KEY只適用于我的遙控器。你可以用這個(gè)代碼來(lái)獲得鍵碼。注意：紅外遙控有幾種模式，我的遙控用的是最常見的NEC模式，如果你匹配出來(lái)一堆亂碼，可以考慮庫(kù)里的其他幾個(gè)模式。
對(duì)了，如果你用紅外遙控，你還需要在車上裝一個(gè)IR Receiver。我裝在Arduino上，用8號(hào)端口。
如果你用了方案3.1，你也可以直接將IR Receiver裝在樹莓派的GPIO上。
這些已經(jīng)夠你開車上路了。我在車上裝了舵機(jī)（Servo），控制攝像頭的上下轉(zhuǎn)動(dòng)。操作很直觀，看代碼就能理解。我沒(méi)有裝超聲探頭，這個(gè)可以幫助你檢測(cè)障礙，在撞墻前強(qiáng)行停止。
如果你想遠(yuǎn)程看攝像頭的實(shí)時(shí)畫面，VNC不能勝任?？梢钥紤]這個(gè)方案。但這樣的話TensorFlow就不能再用攝像頭了。應(yīng)該有一個(gè)共用的方案，我沒(méi)有探究。
差不多就這些了，我的代碼沒(méi)有太多注釋，等有空往上加。如果你有疑問(wèn)，可以留言問(wèn)我。
福利：這里有一個(gè)延時(shí)攝影的簡(jiǎn)單程序，我在crontab里設(shè)置為每隔一分鐘拍一張照，然后每天半夜將當(dāng)天拍的照轉(zhuǎn)成錄像。下周打算帶到公司里，找個(gè)風(fēng)景好的位置，放幾天，拍紐約的24小時(shí)風(fēng)景。
雷峰網(wǎng)版權(quán)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
