树莓派课程设计小项目：红外避障小车基础版-育师

从零开始做一个红外避障小车：树莓派实战教学笔记

你有没有想过，自己动手做一辆能“看见”障碍、自动转弯的小车？听起来像是机器人比赛里的高级操作，其实用一块树莓派、几个传感器和几段代码，就能在几天内实现。这正是我在带学生做课程设计时最常推荐的入门项目——基于树莓派的红外避障小车基础版。

这个项目看似简单，却把嵌入式系统开发的核心要素都串了起来：硬件连接、GPIO控制、电机驱动、程序逻辑判断……更重要的是，它能让抽象的代码“动起来”，让初学者第一次真切感受到“软硬结合”的魅力。

今天我就以一个过来人的视角，带你一步步拆解这个经典小车项目，不讲空话套话，只聊真实开发中的关键点、踩过的坑和值得优化的地方。

为什么选红外避障作为第一个项目？

在众多传感器方案中，红外避障是最适合新手“打怪升级”的第一关。

超声波测距精度高，但回波干扰多；激光雷达太贵还复杂；摄像头视觉需要算力支持……而TCRT5000这类红外模块，成本不到五块钱，接线简单，输出就是高低电平，树莓派直接能读，简直是为教学量身定制。

它的原理也不难理解：
前端有个红外LED不断发射光线，后面跟着一个光电三极管负责接收。如果前面没东西，光跑掉了，接收端收不到信号；一旦有物体靠近（一般2~30cm），部分红外光被反射回来，接收管导通，模块就输出低电平——相当于告诉主控：“嘿，我看到东西了！”

当然，它也有短板。比如深色布料吸光严重，可能到10厘米才触发；强日光下环境红外噪声大，容易误判。所以建议在室内稳定光照环境下使用，避开窗户边或灯光直射位置。

不过对于教学来说，这些“不完美”反而是好事。学生会在调试中自然意识到：传感器不是万能的，工程要面对现实世界的不确定性。

✅ 小贴士：TCRT5000模块上通常有个蓝色电位器，旋转它可以调节灵敏度阈值。调得太敏感会误报，太迟钝又反应慢，这个过程本身就是一种实践学习。

电机怎么动起来？L298N不只是个“开关”

很多同学以为L298N只是一个让电机转停的模块，其实它是整个小车的“肌肉控制器”。

我们用的是常见的L298N双H桥驱动模块，它可以同时控制两个直流电机，正好满足两轮差速转向的需求。所谓“H桥”，指的是内部由四个晶体管组成的桥式电路，通过不同组合实现正转、反转、刹车等动作：

IN1	IN2	电机状态
0	0	刹车（制动）
0	1	反转
1	0	正转
1	1	刹车

注意看，1-1和0-0都是刹车状态，这不是冗余设计，而是为了安全。万一程序出错导致两个输入同时为高或同时为低，电机也不会失控飞出去。

更关键的是，L298N支持PWM调速。只要给ENA（使能端）加一个可变占空比的方波信号，就能无级调节电机转速。这对于小车平稳启动、减速避障非常有用。

而且它的逻辑电平兼容3.3V，可以直接接到树莓派GPIO，省去了电平转换芯片。这一点对树莓派用户极其友好——毕竟谁也不想因为接错电压烧掉主控板。

⚠️ 血泪教训：虽然L298N模块标称最大电流2A，但长时间满负荷运行会严重发热，最好加上散热片，否则过热保护一启动，小车突然停机，排查起来很头疼。

树莓派如何掌控全局？GPIO不只是“读高低电平”

说到GPIO，很多人第一反应是“设输出、写高电平”。但在实际项目中，你要考虑的问题远不止这一句代码。

先说编号问题。树莓派有物理引脚编号（Pin Number）和BCM编号两种模式。强烈建议使用GPIO.setmode(GPIO.BCM)，因为这是官方文档和库函数的标准，避免混淆。

再来看电源管理。树莓派所有GPIO引脚总输出电流不能超过50mA，单脚不超过16mA。这意味着你不能直接用GPIO驱动电机或继电器，必须通过驱动模块隔离高压侧。好在L298N已经做了这件事，我们的GPIO只负责发送控制信号，属于“轻负载操作”。

还有一个容易忽略的细节：内部上拉电阻。

拿红外传感器来说，当没有障碍物时，模块输出高电平；遇到障碍则拉低。但如果线路接触不良或悬空，输入状态可能是浮动的，程序读到的就是随机值，造成误判。

解决办法是在初始化时启用上拉电阻：

GPIO.setup(IR_SENSOR, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

这样即使断线，默认也是高电平，系统只会认为“前方畅通”，不会莫名其妙急刹。

至于编程库的选择，RPi.GPIO功能全面，适合深入教学；gpiozero语法更简洁，适合快速原型验证。本项目采用前者，便于展示底层控制逻辑。

控制逻辑怎么写？别小看一个if-else

下面这段代码，是我带学生调试最多遍的部分：

import RPi.GPIO as GPIO import time # 引脚定义 IN1, IN2 = 17, 18 # 左电机 IN3, IN4 = 22, 23 # 右电机 ENA, ENB = 27, 24 # PWM使能 IR_SENSOR = 19 # 红外传感器 # 初始化 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup([IN1, IN2, IN3, IN4, ENA, ENB], GPIO.OUT) pwm_left = GPIO.PWM(ENA, 1000) pwm_right = GPIO.PWM(ENB, 1000) pwm_left.start(0) pwm_right.start(0) def motor_forward(speed=60): GPIO.output([IN1, IN3], GPIO.HIGH) GPIO.output([IN2, IN4], GPIO.LOW) pwm_left.ChangeDutyCycle(speed) pwm_right.ChangeDutyCycle(speed) def turn_right(): GPIO.output(IN1, GPIO.HIGH) GPIO.output(IN2, GPIO.LOW) GPIO.output(IN3, GPIO.LOW) GPIO.output(IN4, GPIO.HIGH) pwm_left.ChangeDutyCycle(60) pwm_right.ChangeDutyCycle(60) def stop(): GPIO.output([IN1, IN2, IN3, IN4], GPIO.LOW) pwm_left.ChangeDutyCycle(0) pwm_right.ChangeDutyCycle(0) # 主循环 try: while True: if GPIO.input(IR_SENSOR) == GPIO.LOW: # 检测到障碍 print("【避障】前方有障碍，右转") stop() time.sleep(0.3) turn_right() time.sleep(0.8) # 转向时间视速度调整 else: motor_forward(60) time.sleep(0.2) # 检测周期 except KeyboardInterrupt: stop() finally: pwm_left.stop() pwm_right.stop() GPIO.cleanup()

看起来很简单，但有几个隐藏知识点：

延时时间要实测调整：time.sleep(0.8)是为了让小车完成一次有效转向。太快了转不到位，太久了影响效率。建议先用低速测试，观察实际转向角度后再定值。
stop()之后一定要delay：电机有惯性，立即转向可能导致机械冲击或打滑。短暂停车缓冲更安全。
最后的GPIO.cleanup()不能少：否则下次运行可能因引脚状态异常导致行为诡异。

如果你觉得每次撞墙才反应太被动，可以进阶改用状态机模型，把小车分成“前进”、“避障”、“探索”等状态，逻辑更清晰，也更容易扩展功能。

实际搭建中的那些“坑”，教科书不会告诉你

理论讲得再清楚，真正动手时总会冒出新问题。以下是学生们常遇到的几类典型故障及应对方法：

❌ 小车不动？先查这几项

电源是否正常？L298N有两个供电口：一个是7–12V的电机电源，另一个是5V逻辑电源。如果只接了电机电源，但没给逻辑部分供电（或未启用板载5V输出），控制信号传不进去。
杜邦线松了？特别是震动环境下，经常出现“看着连上了，其实虚接”的情况。
接线顺序错了？IN1/IN2对应左电机正反转，接反了就会原地打转。