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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燒友和創客的追捧。
樹莓派可以用來開發各種硬件產品，此次雷鋒網硬創公開課邀請到國際資深創客，莫比嗨客樹莓派智能機器人有限公司創始人兼CEO劉端陽，從樹莓派的起源講起，一步步教我們如何開發出一款機器人。
嘉賓介紹：
劉端陽，莫比嗨客樹莓派智能機器人有限公司創始人兼CEO，國際資深創客。
以下內容整理自劉端陽在雷鋒網硬創公開課的分享。關注雷鋒網旗下微信公眾號「新智造」，可獲取嘉賓完整PPT。
公開課視頻：
計算的過程中經歷了這么幾個發展：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。
計算設備的發展歷史，按照公認的說法，分為大型機、小型機、PC階段，以及現在基于Arm體系結構的手機時代。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。可以看到這個設備是非常小的，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（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、Loof做整體的問題求解、系統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，比如我們經常去超市買東西，結賬時我們會排成一列進行結算，這與我們計算機的隊列是一樣的。
圖3 樹莓派的歷史
樹莓派的出現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，就連創始人Eben Epton也沒想到。那它的出現為什么是必然的呢？
2006年Eben Epton發現一個問題，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？就是我們現有的“舒適的圖像化編程”毀滅了創造的樂趣，于是他開始構思：我能不能做一種設備讓學生有創造性的樂趣？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發布，世界迎來了互聯網時代。2008年樹莓派基金會設計了一款原型機，使用了Atmel的ATmega644，這個事件發生后，樹莓派基金會終于找到一個“好基友”：ARM芯片。現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品推廣需要很長時間。所以，到2011年問題就出現了，當時英國的產業鏈是不完全的，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代發布，那時候要使用樹莓派系統還需要插入一個很大的SD卡，然后基于千兆網絡就可以連接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，現在突然露出來，那么就需要很大的創造性了。
圖5 樹莓派結構和功能
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了。大家都知道操作系統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的周期和成本，就是你在獨特的設備上開發應用和在已經有了通用操作系統的設備上開發應用的時間周期和難度是不同的。
右邊是Raspberry Pi 3 Model B。
1949年前，文盲的標志是不識字；1970年前后，文盲的標志是數理化不好；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。在這種環境下，創客成為一種新的時尚，因為創造成為市場。以機器人為依托的創客教育，樹莓派最后成為創客的首選，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客，而想要成為一名創客，需要這些技能：
（1）長生劍：樹莓派-機器人大腦蛋白質
（2）碧月刀-Processing
（3）3D建模軟件-SketchUp等
（4）多情環-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）
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的PC，功能全且性能強。
樹莓派與Arduino
樹莓派有操作系統，能使用Python開發，能運行高級算法。
Arduino實時性強，普及比較廣泛。
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是被燒進去的。那么，樹莓派的系統都有哪些呢？
官方的系統是基于Debian 的Raspbian OS，有的時候推薦使用Ubuntu Mate系統。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系統的PC，所以天然地可以使用Python編程。Python在國內的普及率不是很高，但是在國外是被大量使用的，例如谷歌。在我的認知中Python只有操作系統的驅動程序是不能寫的，其他所有程序都是可以寫的，比如開發WEB、嵌入式設備等。
什么是機器人
能自動執行工作的機械設備就叫機器人——首先，它是能夠自動的執行工作，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（執行機構）、傳感裝置Sensors（傳動+感知）、控制系統(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行任務。
如何一步步地構建一個機器人？
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。
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創客蜂巢自己生產的一個擴展板，當初我們想要做智能農業和智能家居工程，但是發現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上找到代碼，這些我們都已經開源了。
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，可以是連續的或跳躍的各種信號——給它規則的跳躍信號就可以控制步進電機，不規則的信號就可以控制其他傳動裝置或感應裝置。
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，就是能夠將傳感信號感知成普遍的電信號的設備。比如超聲波傳感器，可以把聲波信號映射為電信號。
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行機構，電動機就是傳輸機構。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，寫完之后發現CPU的使用率會達到100%，不過后來經過優化整個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動，因為只有螺旋槳轉動無人機才能起飛。而螺旋槳在轉動過程中要執行哪些工作呢？比如無人機在轉彎的時候怎么辦？在這個時候就需要兩個螺旋槳轉動的速度快些，另外兩個螺旋槳轉動速度慢些。無人機在飛行過程中兩個螺旋槳是正轉，而另外兩個螺旋槳是反轉的，執行這些命令也需要傳感。
現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上經過處理后，結果通知到GPIO接口，然后GPIO接口向傳動裝置發送命令信號，傳動裝置再向感知設備發送信號。在無人機上，電機是傳動裝置，當GPIO接口向它發送命令信號后，螺旋槳會隨之正轉或反轉。
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動速度一樣，而且整個無人機不發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構
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
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—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驅動
5.將代碼寫入樹莓派Sd卡中
圖15 機器人控制系統代碼結構
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，而樹莓派的實時數據的處理性能沒有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：樹莓派的操作系統能方便移植到別的開發板嗎？
A：因為樹莓派的OS使用了Linux kernel，所以完全可以。現在樹莓派嗨推出了桌面操作系統PIXEL OS。
Q：用樹莓派開發和用普通的單片機開發相比有什么優勢？
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啊？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：樹莓派操作系統穩定性怎么樣？因為很多項目由于穩定性原因不采用這種嵌入式，轉向plc了。
A：穩定性經過幾年的發展還是可以的，但是現在在工業上穩定性不好，尤其是有電磁干擾的情況下樹莓派不穩定。
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