使用RedBoard Artemis ATP构建自动驾驶汽车

时间：2026-06-10 15:14:51

关键字：自动驾驶机器学习 PID控制器

[导读]特点：Arduino Uno R3 带有引脚布局，1MB Flash / 384KB RAM，支持 48MHz 和 96MHz 涡轮频率，24 个 GPIO 引脚(均可中断)，21 个 PWM 渠道，内置 BLE 无线通信模块，10 个 14 位精度的 ADC 输入通道，2 个 UART 接口，6 个 I2C 总线，4 个 SPI 总线，PDM 接口，I2S 接口以及 Qwiic 连接器。详情、功能和文档请见此处……

本项目的目标如下：

•将机器学习应用于机器人汽车。

•将PID控制器添加到该机器人中。

•最后，将Micro OLED扩展板添加到这个机器人上。

为了便于理解本项目，我们将其分为以下几部分：硬件、机器学习、PID控制器、添加微小OLED扩展板、打印和组装机箱，以及结论。

硬件

下图展示了示意图。

SparkFun RedBoard Artemis

特点：Arduino Uno R3 带有引脚布局，1MB Flash / 384KB RAM，支持 48MHz 和 96MHz 涡轮频率，24 个 GPIO 引脚(均可中断)，21 个 PWM 渠道，内置 BLE 无线通信模块，10 个 14 位精度的 ADC 输入通道，2 个 UART 接口，6 个 I2C 总线，4 个 SPI 总线，PDM 接口，I2S 接口以及 Qwiic 连接器。详情、功能和文档请见此处……

微型OLED点阵

这是一款小巧的单色蓝黑OLED屏幕，可呈现极为清晰的画面，供您享受视觉体验。

最后，我使用了三个红外距离传感器。以下是它们的数据表：GP2Y0A41SK0F 和 GP2Y0A51SK0F(2)。

机器学习

在本教程中，我们将使用 Python 创建一个神经网络，并将其权重复制到 Artemis RedBoard ATP 板上的前向传播网络，从而使机器人汽车能够独立行驶且不会撞到墙壁。

在本次练习中，我们将让神经网络输出4个信号：每个电机两个输出，因为L298N驱动器将连接到电路板的两个数字输出端口，分别对应每台汽车电机。此外，这些输出值将在0到1之间(用于使电机去极化或极化)。

我们将有四个输入，其中三个对应三个传感器，第四个用于偏置(BIAS)，其值为0或1，并按以下逻辑分配：当距离小于13厘米时，左右两侧的传感器值为1;当距离大于13厘米时，它们的值为0。中央传感器在距离小于16.7厘米时为1，大于16.7厘米时为0。偏置值始终为1。下表展示了这些变化：

发动机的操作方式如下：

为了创建我们的神经网络，我们将使用用 Python 3.7.3 开发的这段代码：NeuralNetwork.py

我们会看到什么?

我们添加的代码用于在训练到40,000次迭代后显示图形，如下所示：Graphic.py

现在我们可以看到从连接中获得的权重，这些权重将用于Arduino代码：Generate_Arduino_Code.py

包含神经网络配置的Arduino代码已加载到Artemis板上。Self_Driving_Car.ino

PID控制器

机器人配备了3个模拟红外传感器，分别位于前方和左右两侧，用于检测墙壁的距离。

机器人使用PID控制器来保持左右墙壁之间的中心距离。当机器人靠近左墙时，可降低右电机的速度并提高左电机的速度，使机器人向右移动，从而远离左墙;反之亦然。

左侧发动机的速度 d0 和右侧发动机的速度 d1 通过以下代码计算：

然而，由于微小的时间误差可能导致机器人运动不稳定，我们添加了第二个校正因子，以使运动更加平滑。也就是说：difAnt = dif;现在通过PWM信号将速度施加到两个齿轮电机上：

添加微OLED扩展板

小巧的单色蓝黑OLED屏幕可呈现极为清晰的画面，为您带来视觉享受。正因如此，我添加了此设备，用于在机器人汽车处于以下情况时发出视觉信号：停止、前进、后退、左转和右转。我所使用的图标(64x48像素)及其功能如下：

我从库中使用的示例代码是：MicroOLED_Rick_and_Morty_I2C.ino

我获得的 bitmaps.h 库，您可以在下载部分获取。下面我将向您展示之前章节中修改后的 Arduino 代码：Self_Driving_Car_microOLED.ino

底盘的冲压与组装

有两个部件需要使用PLA塑料打印，可能需要稍微调整尺寸或对塑料进行轻微修整，以确保所有部分能良好贴合。3D文件可在下载区获取。

在机箱底部，需安装以下部件：1)齿轮电机通过塑料网布进行固定;2)GP2Y0A51SK0F红外传感器用螺丝安装在机箱左右前端;3)GP2Y0A41SK0F红外传感器用螺丝安装在机箱中央和前方;4)电池通过塑料绑带固定;5)L298N驱动器和滚轮支架用螺丝安装。最后，将RedBoard Artemis ATP电路板用螺丝固定到下部机箱上。下图展示了该组件的多个视图。