一、介绍
阅读本篇文章前建议先参考前期文章：
树莓派基础实验34：L298N模块驱动直流电机实验，学习了单个电机的简单驱动。
树莓派综合项目2：智能小车（一）四轮驱动，实现了代码输入对四个电机的简单控制。
树莓派综合项目2：智能小车（二）tkinter图形界面控制，实现了本地图形界面控制小车的前进后退、转向和原地转圈。
树莓派综合项目2：智能小车（三）无线电遥控，实现了无线电遥控设备控制小车的前进后退、转向和原地转圈。
树莓派综合项目2：智能小车（四）超声波避障，实现了超声波传感器实时感知小车前方障碍物的距离。
树莓派综合项目2：智能小车（五）红外避障，实现了红外光电传感器探测前方是否存在障碍物。
本实验中将使用HJ-IR1红外循迹模块。循迹模块的红外发射二极管不断发射红外线，放射出的红外线被物体反射后，被红外接收器接收，并输出信号给树莓派处理，再对电机驱动模块进行控制，实现通过对黑线和小车位置的判断，控制小车沿黑线行进。
这样的循迹小车又称为简单的循迹机器人，比如餐厅的机器人服务员、农场的投食机器人、瓜果采摘机器人等等。
其它基础内容可以参考文集：树莓派基础实验。
二、组件
★Raspberry Pi 3 B+全套*1
★睿思凯Frsky XM+ 迷你接收机*1
★电平反向器模块*1
★睿思凯Frsky Taranis X9D PLUS SE2019遥控器*1
★L298N扩展板模块*1
★智能小车底板模块*1
★减速电机和车轮*4
★HC-SR04超声波模块*1
★HJ-IR2红外光电传感器*2
★HJ-IR1红外循迹模块*2
★跳线若干
三、实验原理
HJ-IR1红外循迹模块
HJ-IR1红外循迹模块
常见有三种循迹方法：
红外对管循迹法：利用黑白色对红外线的吸收作用不同；
摄像头循迹法：利用摄像头读取赛道信息，分为模拟和数字；
激光对管循迹法：和红外循迹法原理相似，但是检测距离远；
本实验中使用的是第一种，红外对管循迹法，白色地面反射的红外信号强度大于黑色地面的反射。
黑色反射的情况
白色反射的情况
将两路探头布置在智能车前方，探头朝下，调节可调电阻，让白色地面和黑色地面会产生不同的信号。若没有被任何一个探头检测到障碍物，小车直行；左边探头检测到障碍物时小车向右转，右边探头检测到障碍物时小车向左转。
安装循迹模块
关于红外传感器的基础知识请参见树莓派基础实验28：红外避障传感器实验。
实际试验过程中发现，小车在弯曲的黑线上循迹时，容易冲出黑线，一方面可能是速度过快，另一方面可能是循环间隙时间太长。速度过快降低速度就好，循迹间隙时间太长可能是由于检测循迹模块信号的频率太慢，当检测到偏离黑线时，小车已经冲出黑线了。
这可能是由于检测循迹模块信号的循环语句里包含了其它传感器的检测，或者是为了检测其它传感器，间隔一定时间才运行检测循迹模块信号的循环语句。所以我使用多线程编程技术，将检测循迹模块信号的函数创建为一个单独的线程，不与其它传感器或者其它循环相干扰，或者并行运行，使得循迹控制非常灵敏。
四、实验步骤
第1步： 连接电路。这里对黑线循迹外的连线方法不在累述，请参考树莓派综合项目2：智能小车（四）超声波避障。
| 树莓派（name） | 树莓派（BOARD） | 循迹模块 |
|---|---|---|
| GPIO.23 | 33 | 左侧循迹模块输出 |
| GPIO.24 | 35 | 右侧循迹模块输出 |
| 5V | 5V | 两个模块的VCC |
| GND | GND | 两个模块的GND |
加装循迹模块的小车
底部安装距离
第2步： motor_4w.py，moving_control.py，sbus_receiver_pi.py，ultrasonic.py，infrared.py文件的编码这里不再累述，参考树莓派综合项目2：智能小车（四）超声波避障。
第3步：编写循迹模块，文件名为tracking.py，与树莓派基础实验33：TCRT5000红外循迹传感器实验中的Python程序原理基本相同。Tracking()类中的方法tracking_detect()可以返回两个值，当检测到红外反射时值为0，当没有检测到红外反射时值为1。
tracking.py：
#!/usr/bin/env python3
#-*- coding: utf-8 -*-
#本模块只含Tracking()一个类，用于块测出是否有障碍物
#有障碍物时返回值0，无障碍物时返回值1
import RPi.GPIO as GPIO
import time
class Tracking():
trackingPinLeft = 33 #左侧模块的输出连接树莓派33号针脚
trackingPinRight = 35
def setup(self):
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(Tracking.trackingPinLeft, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(Tracking.trackingPinRight, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
def tracking_detect(self):
tracking_left_value = 1
tracking_right_value = 1
if (0 == GPIO.input(Tracking.trackingPinLeft)): # 当检测到红外反射，即白色地面时，输出低电平信号
tracking_left_value = 0
if (0 == GPIO.input(Tracking.trackingPinRight)): #当检测到红外反射时，即白色地面时，输出低电平信号
tracking_right_value = 0
return tracking_left_value,tracking_right_value
def destroy(self):
GPIO.cleanup()
if __name__ == "__main__":
try:
tracking = Tracking()
tracking.setup()
while True:
tracking_left_value,tracking_right_value = tracking.tracking_detect()
print('tracking_left_value=%d tracking_right_value=%d'%(tracking_left_value,tracking_right_value) )
#time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
tracking.destroy()
第4步： 编写树莓派智能小车的主程序，文件名为smartcar.py，将这5个Python文件放入一个文件夹后，只运行本文件就可以了。
主程序中加入了tracking_control()循迹控制函数，实现了沿黑线自动行进。引入了python多线程模块threading，启动线程后，tracking_control()函数中的while True:语句会一直运行，但是只有当全局变量exitFlag_tracking为0时，循迹控制才会实际执行。即当SA开关打到下档位置时，exitFlag_tracking为0，不为下档时，exitFlag_tracking = 1，循迹控制暂停，由超声波等传感器和遥控器控制小车行进。通过SA开关可以双向随时切换控制。
smartcar.py：
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 本模块为树莓派小车的主程序，
from motor_4w import Motor_4w
from sbus_receiver_pi import SBUSReceiver
from moving_control import MovingControl
from ultrasonic import Ultrasonic
from infrared import Infrared
from tracking import Tracking
import time
import threading
sbus_receiver = SBUSReceiver('/dev/ttyAMA0') # 初始化SBUS信号接收实例
smp_car = Motor_4w() # 初始化电机控制实例
smp_car.setGPIO() # 初始化引脚
ENA_pwm = smp_car.pwm(smp_car.ENA) # 初始化使能信号PWM，A为左边车轮
ENB_pwm = smp_car.pwm(smp_car.ENB) # 初始化使能信号PWM，B为右边车轮
smartcar = MovingControl(smp_car,ENA_pwm,ENB_pwm) # 初始化车辆运动控制实例
ultr = Ultrasonic() # 初始化超声波实例
ultr.setup() # 初始化超声波引脚
infrared = Infrared() # 初始化红外避障实例
infrared.setup() # 初始化红外避障引脚
tracking = Tracking()
tracking.setup()
def ultra_control():
"""超声波传感器控制"""
# 如果测距小于10cm时，先停车再倒车0.3秒
smartcar.brake()
smartcar.reverse()
time.sleep(0.3)
def infra_control(infra_left_value,infra_right_value):
"""红外避障传感器控制"""
if infra_left_value == 0: # 值为0时，表示左侧检测到障碍物
# smartcar.acc_value=80
smartcar.accelerator(1, 0.5) # 控制小车向右偏转
time.sleep(0.5) # 向右偏转行进0.5秒
if infra_right_value == 0:
# smartcar.acc_value=80
smartcar.accelerator(0.5, 1)
time.sleep(0.5)
print('infra_left_value=%d infra_right_value=%d'%(infra_left_value,infra_right_value) )
exitFlag_tracking = 1 # 是否退出循迹while循环的标志，0为不退出
def tracking_control():
"""红外循迹传感器，控制小车沿黑线自动行进"""
while True:
time.sleep(0.5) # 为节省计算资源，不让循环过于太快
while not exitFlag_tracking:
smartcar.acc_value = 40
tracking_left_value,tracking_right_value = tracking.tracking_detect()
if tracking_left_value == 0 and tracking_right_value == 0: # 值都为0时，表示都检测到红外反射，直行
smartcar.accelerator() # 让油门左右一致
smartcar.forward() # 控制小车直线前进
if tracking_left_value == 1 and tracking_right_value == 0: # 左侧检测不到反射信号，即遇到黑线，车向左偏转
smartcar.accelerator(0, 1)
smartcar.forward()
if tracking_right_value == 1 and tracking_left_value == 0: # 右侧检测不到反射信号，即遇到黑线，车向右偏转
smartcar.accelerator(1, 0)
smartcar.forward()
if tracking_left_value == 1 and tracking_right_value == 1: # 值都为1时，表示都没有检测到红外反射，停车
smartcar.brake() # 控制小车停车
def sbus_control():
"""无线电控制"""
aileron_value = sbus_receiver.get_rx_channel(0) # 1通道为副翼通道，这里控制车原地转向
elevator_value = sbus_receiver.get_rx_channel(1) # 2通道为升降舵通道，这里控制车前进后退
rudder_value = sbus_receiver.get_rx_channel(3) # 4通道为方向舵通道，这里控制车左右偏移行进
acc_value_sbus = 172 # 3通道，即油门的值，最低时为172
if sbus_receiver.get_rx_channel(2):
acc_value_sbus = sbus_receiver.get_rx_channel(2) # 3通道为油门通道，这里控制车速度
# 将172~1811的油门通道值转换为0~100的占空比信号，
smartcar.acc_value = int(100*(acc_value_sbus-172)/(1811-172))
print('original.acc_value=', smartcar.acc_value) # 检测SBUS信号的油门值
smartcar.accelerator()
print('disposed.acc_value=', smartcar.acc_value) # 检测超声波函数处理后的油门值
if 970 < rudder_value < 1100: # 没有左右偏移时，中间值为992，但遥控器微调时会有上下浮动
pass # 没有左右偏移时
elif rudder_value >= 1100: # 向右偏移行进时
rate_right = (1811.0 - rudder_value)/(1811-1100)
# 最大值一般为1811，这里使用浮点类型，所以一定要使用1811.0
smartcar.accelerator(1, rate_right)
elif rudder_value <= 970: # 向左偏移行进时
rate_left = (rudder_value - 172.0)/(970-172)
# 最小值为172，这里使用浮点类型，所以一定要使用172.0
smartcar.accelerator(rate_left, 1)
print('elevator_value=%d,aileron_value=%d,rudder_value=%d'%(elevator_value,aileron_value,rudder_value))#测试数据用
if aileron_value >= 1100: # 原地左转弯
smartcar.leftTurn()
smartcar.accelerator()
elif aileron_value <= 970: # 原地右转弯
smartcar.rightTurn()
smartcar.accelerator()
else:
smartcar.brake() # 停车，这里用了else，后面不需要再停车了
if elevator_value >= 1100: # 前进
smartcar.forward()
elif elevator_value <= 970: # 后退
smartcar.reverse()
# 循环最后，这里不能再用停车了
try:
# 创建循迹控制的线程，让tracking_control()函数始终处于运行状态
myThread_tracking = threading.Thread(target=tracking_control)
myThread_tracking.start() # 启动线程
while True:
sbus_receiver.update() # 获取一个完整的帧数据
tracking_value = sbus_receiver.get_rx_channel(4) # 5通道为是否循迹的开关，打开后则按循迹自动行进
# print('tracking_value=',tracking_value)
if tracking_value > 1800: # 当SA开关打到下档位置时，get_rx_channel(4)的值为1811
exitFlag_tracking = 0 # 让循迹函数线程中的while循环开始，则由循迹函数线程控制小车行进
else:
exitFlag_tracking = 1 # 让循迹函数线程中的while循环结束，开始由遥控器和其它传感器控制小车行进
dis = ultr.distance()
# print('distance= %.1f cm\n' % dis)
if dis < 10:
ultra_control() # 超声波避障
infra_left_value,infra_right_value = infrared.infra_detect()
if infra_left_value == 0 or infra_right_value == 0:
infra_control(infra_left_value,infra_right_value)
sbus_control() # 遥控器控制小车行进
except KeyboardInterrupt:
smp_car.destroy(ENA_pwm,ENB_pwm)
finally:
smp_car.destroy(ENA_pwm,ENB_pwm)
自动黑线循迹
这个项目的代码90%是我原创瞎写的，有需要参考的同学可以下载：
树莓派智能小车项目python源代码下载
这个小项目就到这里截止了，本来想再融入舵机，摄像头，图像识别，网络编程控制等等，不过上一次实验就不小心把L298N扩展板烧了，虽然经过我不专业的维修后可以继续使用，但车身太小，空间有限，决定重新选一款小车项目套件，也看看别的专家是怎么编写代码的，谢谢大家的支持点赞！
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