1.2 熟悉嵌入式硬件
还记得哪种硬件适用于哪种场景吗？GoPiGo3板用于连接传感器和执行器，而Raspberry Pi用于计算任务。在这里详细介绍这些内容。
1.2.1 GoPiGo3开发板
这种定制板（https://www.dexterindustries.com/GoPiGo/learning/hardware-port-description/）满足控制器所预期的一般需求：
- 与传感器和执行器的实时通信。
- 通过串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface，SPI）进行输入/输出（Input/Output，I/O）通信，该接口将数据从传感器反馈到Raspberry Pi，并且在其CPU中运行逻辑后还可以接收执行器的命令（也包括来自Raspberry Pi控制闭环的每一步的命令）。
- 板载的一个程序称为固件。由于此软件的目标是在计算机实现逻辑功能时提供通信协议，因此无须更改它，除非决定在有新版本可用时进行升级。
简要解释一下前面的要点列表中提到的输入/输出接口协议。SPI是一种总线，用于在微控制器和外部设备（此时为传感器）之间发送数据。它使用独立的时钟和数据线，以及一条选择线来选择要与之通信的设备。产生时钟的连接端称为主机，在本例中为Raspberry Pi，另一端称为从机，即GoPiGo3板。这样，两块板是同步的，因此通信形式比异步串行要快，而异步串行是异步电路板（如Arduino）中的典型通信协议。
可以在网址https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-peripheral-interface-spi找到更多关于SPI协议的简易教程。GoPiGo3在SPI上与Raspberry Pi的通信是通过接口进行的，可以在图1-4的GoPiGo3板的顶部看到。这种接口只需要40个GPIO引脚中的5个即可。
图 1-4
图片来自Dexter Industries：https://32414320wji53mwwch1u68ce-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2014/07/GoPiGo3-Bottom_annotated-600x441.jpg
为了与设备连接，GoPiGo3板提供了以下功能（图1-5是该板的俯视图）：
图 1-5
图片来自Dexter Industries：https://32414320wji53mwwch1u68ce-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2014/07/GoPiGo3-Top-768x565.jpg
- 2个I2C端口——2个Grove端口通过电平转换芯片连接到Raspberry Pi I2C总线。
- 1个串行端口——1个Grove端口通过电平转换芯片连接到Raspberry Pi上的串行引脚。
- 2个模拟数字端口——2个端口连接到GoPiGo3微控制器。
- 2个伺服端口——用于PWM类型伺服电动机。
让我们解释一下这些新概念：
- 串行端口（serial port）：这是介绍SPI时提到的互补通信协议。最后一个是同步的（需要五个接口引脚），而串行端口是异步的。也就是说，没有时钟信号可跟随，只需要两个引脚：用于数据传输的Tx和用于数据接收的Rx。在GoPiGo3中，此端口通过电平转换芯片直接连接Raspberry Pi串行引脚。
- I2C端口（I2C port）：顾名思义，它使用I2C通信协议。与SPI一样，它是一个同步协议，比异步串行要快。I2C使用两条线，SDA用于数据传输，SCL用于时钟信号。第三和第四条线用于电源：VIN为5 V，GND接地——0V参考。SDA是双向的，因此任何连接的设备都可以发送或接收数据。这两个端口分别连接距离传感器和巡线跟随器传感器。
- 模拟数字（analog-digital）：这些端口可以连接到模拟、数字或I2C Grove设备。我们将其连接到IMU传感器的模拟数字端口之一。稍后我们将详细讨论。
- 连接PWM伺服电动机的伺服端口：与配备编码器的电动机相比，它们更便宜且更易于控制，同时提供足够的精度以控制它们支撑的支架方向。在GoPiGo3中，可以将距离传感器或Pi摄像头连接到伺服电动机。脉宽调制技术（Pulse Width Modulation，PWM）是指通过更改电源电压的占空比在连续范围内进行控制，从而实现在整个周期中等效输出范围为0～5 V：0 V为0%占空比，而100%对应于施加的5 V。通过在低于100%的一段时间内施加5 V电压，可连续控制从0°到180°旋转的电动机轴的位置。有关这部分内容的解释和一些有用的图表，参考网址https://www.jameco.com/jameco/workshop/howitworks/how-servo-motors-work.html。
1.2.2 Raspberry Pi 3B+
对教育和工业界而言，Raspberry Pi拥有最大的社区，使其成为开发用于机器人或物联网（Internet of Things，IoT）设备嵌入式软件的最好单板计算机。图1-6显示了Raspberry Pi 3B+，它是为GoPiGo3供电的最常见型号。
图 1-6
图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/File:Raspberry_Pi_3_B%2B_(39906369025).png，许可证CC BY-SA 2.0
Raspberry Pi 3B+的主要特征如下：
- 中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）由4个1.4 GHz的Cortex-A53组成。
- 图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）是博通的VideoCore IV，工作频率为250 MHz。
- 同步动态随机存取存储器（Synchronous Dynamic Random-Access Memory，SDRAM）为1 GB，与GPU共享。
- 板载存储通过MicroSDHC插槽提供。可以选择符合需求的任何微型SD卡。尽管如此，通常的建议是使用16 GB容量的10级微型SD——10表示能够以10 Mb/s的速度写入。
看一下每个组件的功能：
- CPU提供了运行各种算法的运算能力。这就是此款机器人的智能所在。
- GPU的任务是负责计算机图形处理和图像处理。在本案例中，它将主要用于处理Pi摄像头的图像并提供计算机视觉功能。
- SDRAM具有与GPU共享的1 GB易失性存储，因此这是分配给GPU的内存量的平衡（默认情况下，它最多占用64 Mb）。RAM是程序加载的地方，以便可以执行。
- 板载microSD卡是永久存储，其中包含操作系统以及所有已安装的软件。
Raspberry Pi运行操作系统，通常是基于Linux的发行版，例如Debian或Ubuntu。
虽然Raspbian——基于Debian的发行版是Raspberry Pi基金会的官方发布版，但我们将使用Ubuntu（由Canonical支持），因为它是开放式机器人（https://www.openrobotics.org）使用的平台，用来每年发布ROS版本，并与Ubuntu的年度版本同步。
1.2.3 为什么机器人需要CPU
除了本书的目的是让你实践一些与ROS相关的经验（对于这点而言，需要在Linux操作系统上安装软件）之外，如果你真的想创建一个智能机器人，则需要能够运行计算密集型算法的处理能力，这就是Raspberry Pi等CPU提供的功能。
为什么需要这种计算？因为智能机器人必须将来自环境的信息与当前任务的逻辑进行集成，才能成功完成任务。以一个对象从其当前位置行驶到目标位置为例。为了完成此任务，如激光测距传感器、3D摄像头或GPS之类的设备向机器人提供了来自环境的信息。这些数据源必须组合在一起，以便机器人能够在环境中定位自己。通过提供目标位置，它还必须计算出本体的最佳路径，这称为路径规划。在执行这样的路径规划时，它必须检测可能出现在路径上的障碍，并在不失去重点目标的情况下避障。因此，任务的每个步骤都涉及在机器人的CPU中执行算法。
下面将学习使用ROS，作为解决此问题的诸多实际方案之一，ROS是目前开发机器人应用程序的实际行业标准。