1.1 GoPiGo3机器人介绍

GoPiGo3是Dexter Industries生产的基于Raspberry Pi的机器人小车。它主要用作学习机器人技术和编程的教育工具包，这两个互补的观点清楚地显示了成为机器人工程师所需的横向知识。Modular Robotics的工程总监Nicole Parrot用如下语言解释其意义：

GoPiGo起源于2014年初的Kickstarter运动，当时Raspberry Pi还是比较新的事物。最初的用户是业余爱好者，但是不久之后，教师和编程俱乐部志愿者就与他们的学生分享了GoPiGo。这开启了对GoPiGo的各种修改。它是一个坚固的平台，具有完整的功能列表，并且仍基于Raspberry Pi！最近的更新自2017年以来就已经存在，并且是一个稳定的平台。

基于Raspberry Pi的机器人在教室中具有很多优势。它可以用多种语言进行编程，可以独立于学校的Wi-Fi，而不需要蓝牙，并且可以直接在开发板上执行高级应用程序，例如计算机视觉和数据收集。带有DexterOS的GoPiGo附带了预先安装的科学库。带有Raspbian for Robots的GoPiGo允许用户安装手头项目所需的任何库和工具。它带有两个Python库：easygopigo3.py和gopigo3.py。根据用户的技术技能，这两种都提供对机器人的高级控制和低级控制。

GoPiGo已成为大学、研究人员和工程师的基于Raspberry Pi的简单的、文档齐全的首选入门机器人。

准备好学习机器人技术了吗？让我们开始吧！

1.1.1 机器人技术角度

从机器人技术的角度，将学习如何使用其基本部分：

• 电动机 （motor），使机器人可以从一个点移动到另一个点。在GoPiGo3中，使用内置编码器的直流电动机，可提供精确的运动。这是GoPiGo2的主要升级之一，在GoPiGo2中，编码器位于电动机外部，精度不高。
• 传感器 （sensor），可以从环境中获取信息，例如到附近物体的距离、光强、加速度等。
• 控制器 （controller），即GoPiGo3红色板——处理传感器和执行器的物理接口。这是允许GoPiGo3与物理世界进行交互的实时组件。
• 单板计算机 （Single-Board Computer，SBC）Raspberry Pi 3B+提供了处理能力。这样，它可以在操作系统（通常是基于Linux的发行版）下工作，从软件的角度来看提供了广泛的灵活性。

大多数教育工具包都停在3级控制器上（位置、电压、电流）。它们不包括4级单板计算机。控制器中的软件是嵌入在板上的一个整体的小程序（只有一个）。每次想要修改机器人的代码时，都必须完全替换现有程序，并通过USB端口使用串口通信从外部计算机更新版本。

一个典型的例子是一个由Arduino控制的机器人。在这里，Arduino板扮演着GoPiGo3板的角色，如果你已经使用过它，肯定会记得如何通过USB数据线将新程序从笔记本电脑上的Arduino IDE传输到机器人。

1.1.2 编程角度

从编程的角度来看，可以通过专门为GoPiGo3开发的可视化编程语言Bloxter（开源Google Blockly的一个分支）轻松上手。当要学习编写软件程序的基本概念时，这是一个非常合适的前提。

但是，如果正在阅读本书，我们假定读者已经知道如何使用多种可用语言之一进行编程，即C、C++、Java、JavaScript或Python。Dexter Industries提供各种开源代码库（https://github.com/DexterInd/GoPiGo3/tree/master/Software），可以用它来编程GoPiGo3。其中一些如下：

• C
• C#
• Go
• Java
• Node.js（JavaScript）
• Python
• Scratch

尽管如此，在第1章中，我们建议仅使用Bloxter以强化机器人技术的知识点，并熟悉手中的硬件。之后，鉴于有许多可用的GoPiGo3 应用程序编程接口 （Application Programming Interface，API），可以使用选择的编程语言。

在本书中，我们将重点介绍作为ROS编程的主要语言的Python。Python语言更易于学习，同时在机器人技术和计算机科学中仍然非常强大且占主导地位。学习第2章的一些Python的例子之后，我们将开始使用 机器人操作系统 （Robot Operating System，ROS），这不是具体的编程语言，是机器人开发应用程序框架。我们将展示如何使用封装工具修改Python程序，使它们也可以在ROS中运行，用于构建高级功能。

当GoPiGo3的Python代码用ROS封装时，GoPiGo3还可以做更多的事情。此软件升级为GoPiGo3提供了一个工具包，使学生、创作者和工程师可以了解机器人的工作方式。此外，你应该知道ROS通常在专业环境中使用。

1.1.3 机器人套件和资源

在高级层次上，可以将机器人的硬件分为两组：

• 机电 （electromechanics）：指允许其与物理世界互动的传感器和执行器。
• 嵌入式硬件 （embedded hardware）：允许从传感器获取信号，将其转换为数字信号，提供处理逻辑并将命令发送到执行器的电子板。在这里，我们通常有两种类型的电子板：
  • 控制器 （controller），作为与传感器和执行器的物理接口——GoPiGo3板。控制器处理来自机电设备的模拟信号和数字信号，并将它们转换为可由CPU处理的数字信号。
  • 计算机 （computer），它为我们提供了实现智能逻辑的手段。在大多数机器人中，这是单板计算机。就GoPiGo3而言，这是运行Linux OS发行版（如Raspbian或Ubuntu）的Raspberry Pi。

尽管可以通过 通用输入/输出 （General Purpose Input/Output，GPIO）引脚将数字设备直接连接到Raspberry Pi，但从功能的角度来看，最好通过控制器（即GoPiGo3板）连接所有传感器和执行器。在控制器级别上保持与物理世界的接口，并在计算机级别上进行处理和计算。

如果你是一个Raspberry Pi常用户，并拥有开发板，那么只需要购买GoPiGo3机器人底座套件（https://www.dexterindustries.com/product/gopigo3-robot-base-kit/）。该套件包括以下部件：

• GoPiGo3板（红色电路板）
• 底盘（车架、车轮、硬件）
• 电动机
• 编码器
• 动力电池组和电缆
• 组装螺丝刀

图1-1显示了所包含的所有部分。

图片来自Dexter Industries：https://shop.dexterindustries.com/media/catalog/product/cache/4/thumbnail/1800x2400/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/g/p/gpg3_components_rgb.jpg

图1-2显示了组装好的套件（没有包含Raspberry Pi开发板）。

图片来自Dexter Industries：https://32414320wji53mwwch1u68ce-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2017/05/GPG3_BaseKit_2.jpg

它不包括电池（8 AA 1.2 V）。尽管可以使用便宜的可更换部件，但强烈建议使用充电电池。从长远来看，它将具有成本效益和环境友好性。

除套件外，还需要添加Raspberry Pi 3及Micro SD卡。否则，特别是如果你是Raspberry Pi的初学者，那么购买GoPiGo3初学者入门套件更合适（https://www.dexterindustries.com/product/gopigo-beginner-starter-kit/），其包括Raspberry Pi 3及其配件，以及配备伺服马达的可定向距离传感器，具备180°的视场范围。该传感器组由以下部件组成：

• 距离传感器（https://www.dexterindustries.com/product/distance-sensor/）
• 伺服软件包（https://www.dexterindustries.com/product/servo-package/）

图1-3显示了初学者入门套件的最终外观。通过添加Raspberry Pi和可定向距离传感器，使用机器人基础套件可以获得相同的结果。

图片来自Dexter Industries：https://www.robotshop.com/media/catalog/product/cache/image/380x380/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/g/o/gopigo3-beginner-starter-kit.jpg

现在，我们已经了解了GoPiGo3机器人，是时候介绍有关嵌入式硬件和机电的技术细节了。 HG7OpLpswIjqzG3EI6H4NgP+vGzlgCqMepo6CtNVmNn36pTsSsWlEVvz6GtoUGpF