树莓派智能小车嵌入式系统开发实战

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。

目录

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

1.3.3PC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

2.2ASU VIPLE入门10

2.2.1VIPLE的下载与安装11

2.2.2VIPLE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

2.4.2两距离局部最优算法27

2.4.3沿右侧墙算法27

2.5Unity模拟器28

2.5.1机器人移动控制29

2.5.2两距离局部最优算法的实现30

2.5.3沿右侧墙算法的实现31

2.6Web 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

2.6.3两距离局部最优算法的实现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

3.1wiringPi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

4.1TensorFlow开发环境70

4.1.1TensorFlow开发环境介绍70

4.1.2TensorFlow开发环境的搭建71

4.1.3TensorFlow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

4.2.3OpenCV的安装与编译95

4.2.4TensorFlow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

《21世纪计算机科学与技术实践型教程》编辑委员会主〓〓任： [WB][HT4K]陈〓明委〓〓员[HTSS]：[DW][HTK]毛国君〓白中英〓叶新铭〓刘淑芬〓刘书家[DW]汤〓庸〓何炎祥〓陈永义〓罗四维〓段友祥[DW]高维东〓郭〓禾〓姚〓琳〓崔武子〓曹元大[DW]谢树煜〓焦金生〓韩江洪[HTH]策划编辑： [HTK]谢〓琛《21世纪计算机科学与技术实践型教程》21世纪影响世界的三大关键技术是： 以计算机和网络为代表的信息技术；以基因工程为代表的生命科学和生物技术；以纳米技术为代表的新型材料技术。信息技术居三大关键技术之首。国民经济的发展采取信息化带动现代化的方针，要求在所有领域中迅速推广信息技术，导致需要大量的计算机科学与技术领域的优秀人才。计算机科学与技术的广泛应用是计算机学科发展的原动力，计算机科学是一门应用科学。因此，计算机学科的优秀人才不仅应具有坚实的科学理论基础，而且更重要的是能将理论与实践相结合，并具有解决实际问题的能力。培养计算机科学与技术的优秀人才是社会的需要、国民经济发展的需要。制定科学的教学计划对于培养计算机科学与技术人才十分重要，而教材的选择是实施教学计划的一个重要组成部分，《21世纪计算机科学与技术实践型教程》主要考虑了下述两方面。一方面，高等学校的计算机科学与技术专业的学生，在学习了基本的必修课和部分选[JP2]修课程之后，立刻进行计算机应用系统的软件和硬件开发与应用尚存在一些困难，而《21世[JP]纪计算机科学与技术实践型教程》就是为了填补这部分鸿沟。将理论与实际联系起来，结合起来，使学生不仅学会了计算机科学理论，而且也学会应用这些理论解决实际问题。[JP3]另一方面，计算机科学与技术专业的课程内容需要经过实践练习，才能深刻理解和掌握。因此，本套教材增强了实践性、应用性和可理解性，并在体例上做了改进——使用案例说明。[JP][JP2]实践型教学占有重要的位置，不仅体现了理论和实践紧密结合的学科特征，而且对于提高学生的综合素质，培养学生的创新精神与实践能力有特殊的作用。因此，研究和撰写实践型教材是必要的，也是十分重要的任务。优秀的教材是保证高水平教学的重要因素，选择水平高、内容新、实践性强的教材可以促进课堂教学质量的快速提升。在教学中，应用实践型教材可以增强学生的认知能力、创新能力、实践能力以及团队协作和交流表达能力。[JP]实践型教材应由教学经验丰富、实际应用经验丰富的教师撰写。此系列教材的作者不但从事多年的计算机教学，而且参加并完成了多项计算机类的科研项目，把他们积累的经验、知识、智慧、素质融合于教材中，奉献给计算机科学与技术的教学。我们在组织本系列教材过程中，虽然经过了详细地思考和讨论，但毕竟是初步的尝试，不完善甚至缺陷不可避免，敬请读者指正。[JY，2][HT4”K]本系列教材主编〓陈明

前言

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