树莓派智能小车嵌入式系统开发实战

本教材讲解了树莓派核心板的硬件组成和各部分硬件的工作原理，通过使用图形化编程软件VIPLE和C语言控制配置了树莓派的青科智能小车实现超声波测距，循迹以及迷宫导航等功能，以软硬件相结合的方式引导学生更深入了解机器人的工作原理。本教材末尾简略介绍了树莓派小车实现机器视觉和语音识别的的方式，为树莓派小车拓展人工智能算法提供了好的思路。

本教材讲解了树莓派核心板的硬件组成和各部分硬件的工作原理，通过使用图形化编程软件VIPLE和C语言控制配置了树莓派的青科智能小车实现超声波测距，循迹以及迷宫导航等功能，以软硬件相结合的方式引导学生更深入了解机器人的工作原理。本教材末尾简略介绍了树莓派小车实现机器视觉和语音识别的的方式，为树莓派小车拓展人工智能算法提供了好的思路。

作者博士期间在日本北陆先端科学与技术大学院大学攻读信息科学专业，对人工智能和机器人研发方面有着深入了解和研究。在青岛科技大学工作期间，曾多次参加山东省机器人教学研究会议并参与了青稞智能小车的研发，期间编著了青科智能小车入门手册。针对大一新生通过讲授VIPLE智能小车编程，不仅培养了学生的浓厚学习兴趣，也让学生了解到了机器人控制的原理。作者所在的教学团队曾获得校级高水平教学团队称号。

第1章  树莓派智能小车介绍1

1.1  树莓派智能小车硬件结构1

1.2  性能参数1

1.3  树莓派系统安装和环境配置3

1.3.1  树莓派操作系统的安装3

1.3.2  树莓派智能小车的连接5

1.3.3  PC和树莓派的文件传输6

第2章  智能小车图形化编程7

2.1  图形化编程简介7

2.2  ASU VIPLE入门10

2.2.1  VIPLE的下载与安装11

2.2.2  VIPLE的基本活动和服务12

2.3  事件驱动编程24

2.3.1  有限状态机24

2.3.2  有限状态机的VIPLE实现26

2.4  迷宫导航算法27

2.4.1  贪心算法27

2.4.2  两距离局部算法27

2.4.3  沿右侧墙算法27

2.5  Unity模拟器28

2.5.1  机器人移动控制29

2.5.2  两距离局部算法的实现30

2.5.3  沿右侧墙算法的实现31

2.6  Web 2D模拟器33

2.6.1  理解迷宫算法332.6.2  机器人移动控制35

2.6.3  两距离局部算法的实现37

2.6.4  沿右侧墙算法的实现40

2.7  智能小车迷宫导航43

2.7.1  智能小车的移动控制44

2.7.2  智能小车传感器的使用47

2.7.3  智能小车迷宫导航实现48

第3章  智能小车C语言编程50

3.1  wiringPi库的介绍50

3.2  智能小车移动控制52

3.2.1  固定速度移动控制52

3.2.2  可变速度移动控制53

3.2.3  程序的编译和运行54

3.3  超声波传感器的使用56

3.3.1  传感器的连接56

3.3.2  工作原理57

3.3.3  程序实现58

3.4  红外和循迹传感器的使用59

3.5  应用案例60

3.5.1  基于超声波传感器的迷宫导航60

3.5.2  基于红外传感器的迷宫导航63

3.5.3  二路循迹的实现65

第4章  树莓派人工智能应用开发69

4.1  TensorFlow开发环境70

4.1.1  TensorFlow开发环境介绍70

4.1.2  TensorFlow开发环境的搭建71

4.1.3  TensorFlow开发环境的编程78

4.2  机器视觉应用开发86

4.2.1  树莓派图形化界面的访问86

4.2.2  摄像头的安装与配置93

4.2.3  OpenCV的安装与编译95

4.2.4  TensorFlow的下载与安装100

4.2.5  机器视觉应用开发案例1024.3  语音识别应用开发119

4.3.1  语音识别开发环境介绍119

4.3.2  基本环境的搭建120

4.3.3  基于SDK的语音识别123

4.3.4  本地语音识别125

随着新兴产业的不断发展和传统产业的升级改造，对具有多学科知识融合、工程实践和创新能力的专业人才的需求日益迫切。当前，计算机本身对IT类专业的学生已不再具有吸引力，而作为新兴产业代表的机器人，综合了多学科的发展成果，融合了多种先进技术，引入机器人教学不仅能够将自主移动、语音识别、机器视觉、定位导航等人工智能技术在机器人上进行全方位的创新组合，也为大学的信息技术课程注入了新的活力，有利于全面培养大学生综合能力和信息素养。
本教材以青岛科技大学自主研发的机器人教学平台为基础，融机器人、人工智能、软件开发等知识于一体，旨在克服软件工程、计算机科学与技术、人工智能科学与技术、机器人工程等专业的传统教学模式中存在的弊端，以提高学生学习兴趣和综合运用知识的能力为目标。
本教材在写作上力求概念准确、论述严谨，不仅对基本概念进行细致的描述，而且对相关的技术细节进行罗列和演示，让读者明白“是什么”“为什么”的同时也明白“怎么做”。
本教材共4章内容，其中第1章为树莓派智能小车介绍，介绍了树莓派智能小车的硬件结构、核心控制板的性能参数、树莓派操作系统的安装过程、树莓派和智能小车之间的连接方法以及计算机和树莓派之间的文件传输；第2章为智能小车图形化编程，介绍了图形化编程的基本概念、VIPLE的下载和安装过程、VIPLE的活动和服务、有限状态机的 VIPLE 实现、迷宫导航算法的原理和实现、Unity 模拟器和Web 2D 模拟器以及基于树莓派智能小车的迷宫导航；第3章为智能小车C语言编程，介绍了wiringPi 库、智能小车的固定速度和可变速度的移动控制、超声波传感器的工作原理和实现以及迷宫导航和循迹的应用案例；第4章为树莓派人工智能应用开发，介绍了TensorFlow深度学习框架的编程原理和搭建步骤、树莓派的图形化界面的访问方式、树莓派摄像头的调用方法、机器视觉案例以及语音识别案例。
为方便教师教学和学生学习，本教材还提供了PPT教学课件、教学视频、源代码、教学大纲以及实验指导。
在本教材的编写过程中，青岛科技大学的石艳敏、魏康威、杜泽厚、李泽等同学参加了有关程序的调试工作和文字校对工作；清华大学出版社对教材的出版做了精心策划和充分论证，在此表示衷心的感谢！
因编者水平有限，书中错误在所难免，恳请批评指正。

编者2020年3月