導語：樹莓派是為學習計算機編程教育而設計的一種微型電腦，其系統(tǒng)是基于Linux的， 雖然只有信用卡大小，但視頻、音頻等功能通通皆有，可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”。因此自問世以來，受到了眾多計算機發(fā)燒友和創(chuàng)客的追捧。

樹莓派可以用來開發(fā)各種硬件產(chǎn)品，此次雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)公開課邀請到國際資深創(chuàng)客，莫比嗨客樹莓派智能機器人有限公司創(chuàng)始人兼CEO劉端陽，從樹莓派的起源講起，一步步教我們?nèi)绾伍_發(fā)出一款機器人。

嘉賓介紹：

劉端陽，莫比嗨客樹莓派智能機器人有限公司創(chuàng)始人兼CEO，國際資深創(chuàng)客。

以下內(nèi)容整理自劉端陽在雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)公開課的分享。關注雷鋒網(wǎng)旗下微信公眾號「新智造」，可獲取嘉賓完整PPT。

公開課視頻：

計算的歷史與計算思維

計算的過程中經(jīng)歷了這么幾個發(fā)展：最早的時候是應用于自動式，比如彈道導彈的計算，但是隨著計算的發(fā)展，其有了更加寬廣范圍的應用，比如軍隊、政府、銀行等都會用到計算設備。

計算設備的發(fā)展歷史，按照公認的說法，分為大型機、小型機、PC階段，以及現(xiàn)在基于Arm體系結(jié)構(gòu)的手機時代。那么，反向思考的話，未來的硬件設備是什么樣的趨勢呢？

小型化

圖1 樹莓派大小

大家可以在PPT上看到，我放了一個美元的圖標和一個小的設備，這個小的設備叫樹莓派?？梢钥吹竭@個設備是非常小的，但它的性能卻非常強，可以說隨著電子設備二極管的高度集成，未來設備將趨向小型化。

量子化

圖2  Dwave

在電子化的基礎上，計算設備另一個發(fā)展形式是量子化，最典型的是Dwave公司，它最后被Google收購了。

計算思維是什么

計算思維（Computational Thinking）這個概念由CMU的周以真教授提出，剛開始大家都覺得云里霧里的，其實它的核心就是：我們要用計算機的基本概念比如迭代、循環(huán)、Loof做整體的問題求解、系統(tǒng)設計和人類行為分析的一種思維活動。從這個角度來講，計算思維是基本問題解決之道。在生活中，比如我們經(jīng)常去超市買東西，結(jié)賬時我們會排成一列進行結(jié)算，這與我們計算機的隊列是一樣的。

樹莓派（RPI）的歷史

圖3 樹莓派的歷史

樹莓派的出現(xiàn)其實是一個偶然的事情，同時也是必然的事情。這個偶然是大家沒想到這個東西會這么火，就連創(chuàng)始人Eben Epton也沒想到。那它的出現(xiàn)為什么是必然的呢？

2006年Eben Epton發(fā)現(xiàn)一個問題，劍橋大學近期入學的學生編程能力普遍較低，原因是什么呢？就是我們現(xiàn)有的“舒適的圖像化編程”毀滅了創(chuàng)造的樂趣，于是他開始構(gòu)思：我能不能做一種設備讓學生有創(chuàng)造性的樂趣？之后Eben Epton和小伙伴一起設計了很多設備，但都不符合要求。

2007年蘋果的iPhone發(fā)布，世界迎來了互聯(lián)網(wǎng)時代。2008年樹莓派基金會設計了一款原型機，使用了Atmel的ATmega644，這個事件發(fā)生后，樹莓派基金會終于找到一個“好基友”：ARM芯片?，F(xiàn)在很多移動設備都使用ARM芯片，因為功耗小，所以它的電池是可以使用很長時間的。當然，這個東西設計出來后的產(chǎn)品推廣需要很長時間。所以，到2011年問題就出現(xiàn)了，當時英國的產(chǎn)業(yè)鏈是不完全的，所以Eben Epton找到了深圳的一家工廠，于是第一批50片Alpha電路板上線。2012年第一周，Eben Epton將電路板放在EBay上拍賣，結(jié)果10個電路板在Ebay上共籌集了16000英鎊，這讓他信心倍增，說明這種產(chǎn)品是非常受大家歡迎的。

圖4 樹莓派1代

2012年2月29日樹莓派1代發(fā)布，那時候要使用樹莓派系統(tǒng)還需要插入一個很大的SD卡，然后基于千兆網(wǎng)絡就可以連接USB了，它主要是把GPIO接口給露出來了，因為大家知道以前的設備都是集成在USB接口上的，所以那時候都是即插即拔的，現(xiàn)在突然露出來，那么就需要很大的創(chuàng)造性了。

圖5 樹莓派結(jié)構(gòu)和功能

左邊的樹莓派既可以接USB的接口，又能通過USB接鍵盤，把SD插入進去以后就可以寫入系統(tǒng)了。大家都知道操作系統(tǒng)在計算設備上是非常關鍵的，因為它極大地降低整個應用開發(fā)的周期和成本，就是你在獨特的設備上開發(fā)應用和在已經(jīng)有了通用操作系統(tǒng)的設備上開發(fā)應用的時間周期和難度是不同的。

右邊是Raspberry Pi 3 Model B。

樹莓派與創(chuàng)客教育

1949年前，文盲的標志是不識字；1970年前后，文盲的標志是數(shù)理化不好；1990年前后，文盲的標志是英語不好；到了2013年，文盲的標志則是不會編程。在這種環(huán)境下，創(chuàng)客成為一種新的時尚，因為創(chuàng)造成為市場。以機器人為依托的創(chuàng)客教育，樹莓派最后成為創(chuàng)客的首選，原因如下：

（1）RPI是電腦（2）性價比超高（3）體積小

MBH創(chuàng)客蜂巢是從樹莓派機器人開始起步的，在這里聚集了很多創(chuàng)客，而想要成為一名創(chuàng)客，需要這些技能：

（1）長生劍：樹莓派-機器人大腦蛋白質(zhì)

（2）碧月刀-Processing

（3）3D建模軟件-SketchUp等

（4）多情環(huán)-電路板設計

（5）葵花寶典-Python編程設計

（6）一指禪-機器學習（智能的最直接的體現(xiàn)）

樹莓派與嵌入式設備

樹莓派與單片機

單片機的功能比較單一，只是為了某種特定意義而設計，而樹莓派是有操作系統(tǒng)的PC，功能全且性能強。

樹莓派與Arduino

樹莓派有操作系統(tǒng)，能使用Python開發(fā)，能運行高級算法。

Arduino實時性強，普及比較廣泛。

樹莓派OS與Python編程

在樹莓派上，我們會將所有的代碼寫入SD卡中，就是我們通常說樹莓派的系統(tǒng)是被燒進去的。那么，樹莓派的系統(tǒng)都有哪些呢？

官方的系統(tǒng)是基于Debian 的Raspbian OS，有的時候推薦使用Ubuntu Mate系統(tǒng)。隨著樹莓派被廣泛地接受，微軟也開始支持樹莓派了，目前Win10 IOT 是支持的，同時Android也支持樹莓派。而樹莓派是裝有Linux系統(tǒng)的PC，所以天然地可以使用Python編程。Python在國內(nèi)的普及率不是很高，但是在國外是被大量使用的，例如谷歌。在我的認知中Python只有操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序是不能寫的，其他所有程序都是可以寫的，比如開發(fā)WEB、嵌入式設備等。

什么是機器人

能自動執(zhí)行工作的機械設備就叫機器人——首先，它是能夠自動的執(zhí)行工作，其次是機械設備，比如挖掘機，或者拖地的機器人。

一個機器人的組成部分包括機械裝置（執(zhí)行機構(gòu)）、傳感裝置Sensors（傳動+感知）、控制系統(tǒng)(大腦)。

機器人如何工作

圖6 機器人工作原理

一句話概括：用Python代碼，通過GPIO接口，去控制傳動和感知設備，讓機械設備按照預想的動作去執(zhí)行任務。

如何一步步地構(gòu)建一個機器人？

第一步就是組裝硬件，硬件組裝完后就是測試，會有專門的測試平臺來測試。測試完以后我們就要設計相應的軟件。

樹莓派GPIO接口與控制器

圖7 樹莓派GPIO接口

接下來我給大家重點講下樹莓派上比較特殊的，也就是樹莓派GPIO接口與控制器。GPIO對于樹莓派來說是很特別的，這也是吸引創(chuàng)客的主要原因。GPIO接口有40個pin和引腳，有的是接電壓和電流的，還有的是用于外接傳感器的。外接傳感器有時候會多于40個，那這個時候該怎么辦呢？這個時候我們就需要做一些樹莓派的擴展板了。

圖8 樹莓派拓展板和集群

左上角是我們MBH創(chuàng)客蜂巢自己生產(chǎn)的一個擴展板，當初我們想要做智能農(nóng)業(yè)和智能家居工程，但是發(fā)現(xiàn)40個接口根本不夠，因為我們要接很多很多的傳感器去感知整個空間里的環(huán)境，比如溫度、濕度、酸堿度等等。

這個擴展板有一個獨立的CPU，然后上面設計了很多的引腳。大家可以在我們的論壇上或官網(wǎng)上找到代碼，這些我們都已經(jīng)開源了。

我感覺最好玩的應該是圖中下部位置的擴展板了，它并沒有像樹莓派其他設備一樣把GPIO接口用引腳給引出來，它只是打了幾個孔。有人說我們是用更大的板子把所有的孔或Pi Zero設備集在一起形成集群一樣的擴展板，但是Pi Zero設備是比較小的，如果要去擴展的話是可以插很多Pi Zero設備的，比如你插100個，總體積也不會有什么大的變化。所以，有的人就在這上面挖礦，也就是挖比特幣，還有人純粹把它當做集群，相當于NOS，可以在里面存入大量文件，而且還是并行的處理方式，相當于你可以對你的文件進行多重備份，而不用害怕它會丟失了。

大家都知道樹莓派和Python是可以天然地結(jié)合在一起的，所以天然的Python在GPIO接口上有庫：

sudo apt-get install python-dev 

wget http://raspberry-gpio-python.googlecode.com/files/RPI.GPIO-0.5.3a.tar.gz

tar xvzf RPI.GPIO-0.5.3a.tar.gz

sudo pytho setup.py install

關于樹莓派的控制器，這里我們主要講下步進電機。樹莓派的GPIO接口可以控制其他裝置，只要你給它信號，這個信號不一定是脈沖信號，可以是連續(xù)的或跳躍的各種信號——給它規(guī)則的跳躍信號就可以控制步進電機，不規(guī)則的信號就可以控制其他傳動裝置或感應裝置。

樹莓派與傳感器

圖9 常見傳感器

如果我們把機器人與人做類比的話，那么傳感器對應人又是什么呢？傳感器就像人類的器官一樣，可以聽、說、看、動。傳感器種類是非常多的，我們可以通過GPIO接口或是擴展板將這些傳感器接入到樹莓派中，而且可以用Python的庫控制它們。

常用的傳感器有超聲波傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器。所謂傳感器，就是能夠?qū)鞲行盘柛兄善毡榈碾娦盘柕脑O備。比如超聲波傳感器，可以把聲波信號映射為電信號。

案例一：樹莓派打造無人機

圖10 基于樹莓派的無人機

這是我們自己設計的一款飛行機器人，現(xiàn)在也叫無人機。當時我們在翻譯一本書叫《樹莓派機器人藍圖》，其中第七章就是講飛行機器人的，但是它的飛控是用Pix hawk，而Pix hawk的價格非常昂貴，用完之后還不能做他用。于是我們想是不是可以用樹莓派去做無人機的飛控呢？前面我們也講過，樹莓派和代碼其實構(gòu)成了整個機器人的大腦，而無人機上的大腦就是飛控，它的螺旋槳被稱為執(zhí)行機構(gòu)，電動機就是傳輸機構(gòu)。我們用這樣裝置做出來的飛控并不比Pix hawk或是Pix 4性能差。在這個過程中，剛開始我們的代碼是用C語言寫的，寫完之后發(fā)現(xiàn)CPU的使用率會達到100%，不過后來經(jīng)過優(yōu)化整個CPU的使用率也不過8%，這也就驗證了樹莓派是完全可以用來做無人機的飛控的！

那么，我們就以這個無人機為例，為大家講講如何用樹莓派來做飛控。

圖11 機器人工作布線圖

我們用倒敘的方式來思考。首先，它要讓四個螺旋槳轉(zhuǎn)動，因為只有螺旋槳轉(zhuǎn)動無人機才能起飛。而螺旋槳在轉(zhuǎn)動過程中要執(zhí)行哪些工作呢？比如無人機在轉(zhuǎn)彎的時候怎么辦？在這個時候就需要兩個螺旋槳轉(zhuǎn)動的速度快些，另外兩個螺旋槳轉(zhuǎn)動速度慢些。無人機在飛行過程中兩個螺旋槳是正轉(zhuǎn)，而另外兩個螺旋槳是反轉(zhuǎn)的，執(zhí)行這些命令也需要傳感。

現(xiàn)在大部分無人機都是由一個手柄，或者是手機APP來控制。這些控制設備通過websocket來傳輸命令信號，信號在CPU上經(jīng)過處理后，結(jié)果通知到GPIO接口，然后GPIO接口向傳動裝置發(fā)送命令信號，傳動裝置再向感知設備發(fā)送信號。在無人機上，電機是傳動裝置，當GPIO接口向它發(fā)送命令信號后，螺旋槳會隨之正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

另外，無人機的平衡也非常關鍵。所以，我們在無人機上加了一個陀螺儀，陀螺儀在很多領域都有應用，無人機的平衡需要它的四個葉片轉(zhuǎn)動速度一樣，而且整個無人機不發(fā)生傾斜的情況下無人機才能保持平衡。那么，我們就需要在代碼上進行補償。

圖12 機器人控制程序代碼結(jié)構(gòu)

如果你想用樹莓派做無人機，用這一套代碼就夠了。如果你想加一些傳感器，比如攝像頭，那么就加一個camera.py的代碼就好了。

圖13 camera.py源代碼

案例二：樹莓派打造智能避障小車

圖14 樹莓派尋跡避障小車

既然是個小車，那肯定是能走的。而避障，也就是碰到一個物體要停下來，避障需要傳感器，比如超聲波傳感器，或者紅外傳感器。最后還有一個“智能”，比如它第一次走是一個探索的過程，第二次走就會走的更順利，這個時候我們可以加入一些機器學習的方法，讓整個路徑得到優(yōu)化。也就是說，這個小車要能走、能避障、能學習。

原理：

1.小車—電機啟動—前后左右

2.停止—電機不轉(zhuǎn)—設置時間周期

3.障礙識別—傳感器（超聲波，紅外識別，激光雷達等）

4.GPIO接口—L298N驅(qū)動

5.將代碼寫入樹莓派Sd卡中

圖15 機器人控制系統(tǒng)代碼結(jié)構(gòu)

這里的代碼多了一個aeduino，這是因為小車在避障過程中需要很快地剎車，而樹莓派的實時數(shù)據(jù)的處理性能沒有aeduino好。然后再加入一些機器學習的算法，這個小車就算有些智能了。

圖16 《樹莓派機器人藍圖權(quán)威寶典》

如果大家覺得我今天講得不夠詳細，可以去看《樹莓派機器人藍圖權(quán)威寶典》這本書。這本書通過70個案例講述如何一步步用樹莓派做機器人。

Q&A 環(huán)節(jié)

Q：樹莓派的操作系統(tǒng)能方便移植到別的開發(fā)板嗎？

A：因為樹莓派的OS使用了Linux kernel，所以完全可以?，F(xiàn)在樹莓派嗨推出了桌面操作系統(tǒng)PIXEL OS。

Q：用樹莓派開發(fā)和用普通的單片機開發(fā)相比有什么優(yōu)勢？

A：樹莓派功能更加的全，能接入的傳感器更多。

Q：飛行時間切片法這個不是說幀率做不上去么？

A：代碼優(yōu)化其實是可以的。

Q：單片機上有各種總線（串口 can口等） 一般的傳感器單片機都能夠使用??？難道樹莓派有些特殊傳感器？

A：樹莓派上基本所有傳感器都可以用，因為GPIO。

Q：樹莓派操作系統(tǒng)穩(wěn)定性怎么樣？因為很多項目由于穩(wěn)定性原因不采用這種嵌入式，轉(zhuǎn)向plc了。

A：穩(wěn)定性經(jīng)過幾年的發(fā)展還是可以的，但是現(xiàn)在在工業(yè)上穩(wěn)定性不好，尤其是有電磁干擾的情況下樹莓派不穩(wěn)定。

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