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机器人编程教程4为机器人准备无头Raspberry Pi

发布时间 2023-08-15 06:40:56作者: 磁石空杯

4为机器人准备无头Raspberry Pi

本章将介绍以下内容：

  • 什么是无头系统，为什么它对机器人有用？
  • 在Raspberry Pi上设置Wi-Fi并启用SSH
  • 在网络上找到你的Raspberry Pi
  • 连接Raspberry Pi
  • 配置Raspberry Pi操作系统

要求：一台 Raspberry Pi，最好是 3A+（但 Pi3或4也可以）

4.1 什么是无头系统，为什么它对机器人有用？

无头系统是指在键盘、屏幕和鼠标访问设备不方便的时间或地点，可以通过网络从另一台计算机上操作的计算机。无头访问可用于服务器系统、制造机器人和小工具：


与屏幕、键盘和鼠标连接的 Raspberry Pi

上图展示了一个有头的系统，用户可以坐在设备前面。您需要在机器人上安装屏幕、键盘和鼠标，因此移动性较差。您可以根据需要安装/拆卸它们，但这样做也很不方便。有一些便携式系统可以与Raspberry Pis像这样对接，但当机器人移动时，您需要断开连接或与机器人一起移动。

我曾看到过带有微型板载屏幕、由无线键盘和鼠标控制的机器人。不过，在本书中，我们将机器人作为无头设备使用：


机器人上的Raspberry Pi采用无头配置

上图中的 Raspberry Pi作为无头设备安装在机器人上。这台Raspberry Pi没有屏幕和键盘的束缚；这些都由另一台计算机来处理。代码、指令和信息通过无线网络从笔记本电脑发送到 Raspberry Pi，再从 Raspberry Pi发送出去。许多代码示例都是自主运行的，计算机可以启动/停止这些示例。手机可以启动和停止自主行为，查看机器人的状态，或者直接驱动机器人，完全不需要连接笔记本电脑。这个 Raspberry Pi没有屏幕和键盘。

虽然您通常不需要屏幕和键盘，但还是值得准备一下，以防与 Raspberry Pi失去联系时，它拒绝通过网络做出响应。这时，您可以使用屏幕和键盘与它连接，查看发生了什么。

对于无头访问Raspberry Pi，我们将使用Secure Shell（SSH）。SSH提供了向Pi发送指令的命令行，以及向 Pi 传输文件的文件传输系统。

让Pi成为无头机器人可以让它自由行动。它无需携带屏幕和键盘，也无需为其供电，从而保持了机器人的轻便。由于显示器和键盘非常笨重，因此无头设计使机器人更小巧。它还能鼓励制造者思考机器人的自主行为，因为你不能总是向机器人输入命令。

4.2 在Raspberry Pi上设置Wi-Fi并启用SSH

现在你已经看到了无头系统的功能，让我们来修改SD卡，使 Raspberry Pi启动后即可作为无头设备使用。我们需要先设置 Wi-Fi：

并创建文件：

  • ssh： 没有扩展名的空文件。
  • wpa_supplicant.conf： 该文件包含 Wi-Fi 网络配置，如图所示：
country=CN

update_config=1

ctrl_interface=/var/run/wpa_supplicant

network={

ssid="<your network ssid>"

psk="<your network password>"

}

让我们逐行查看该文件：

第一行必须指定ISO/IEC alpha2国家代码。您可以在 https://datahub.io/core/country-list 找到适合您所在位置的国家代码。如果没有，Raspberry Pi OS 将禁用Wi-Fi适配器。

接下来的两行允许其他工具更新配置。

文件的最后四行定义了机器人和 Raspberry Pi 将连接的 Wi-Fi网络。请使用您自己的网络详细信息，而不要使用此处的占位符。预共享密钥（PSK）也称为 Wi-Fi 密码。这些信息应与您将笔记本电脑或手机连接到Wi-Fi网络时使用的信息相同。我建议在电脑上保留一份 wpa_supplicant.conf 文件副本，以便在其他 Raspberry Pi SD 卡上使用。

4.3 在网络上找到你的 Pi

假设您的SSID和PSK正确无误，您的 Raspberry Pi现在已经在Wi-Fi网络上注册。不过，现在你需要找到它。Raspberry Pi使用动态地址（DHCP）。每次将它连接到网络时，它都可能获得不同的地址。访问Wi-Fi路由器的管理页面并记下IP地址在短期内有效。但每次更改地址时都这样做会令人沮丧，而且在某些情况下可能无法使用。

幸运的是，Raspberry Pi使用了一种名为mDNS（多播域名系统）的技术，因此附近的电脑都能找到它。客户端计算机会广播一条本地消息，询问是否有名称为 raspberrypi.local 的设备，Raspberry Pi会回复地址，以便找到它。这也被称为Zeroconf和Bonjour。因此，你需要做的第一件事就是确保你的电脑能做到这一点。

如果你使用的是 macOS，那么你的电脑已经在运行Bonjour软件，它已经具备mDNS功能。此外Ubuntu和Fedora桌面版本也早已兼容 mDNS。在其他 Linux 桌面上，你需要找到它们的Zeroconf或 Avahi说明。许多最新的 Linux桌面都默认启用了这一功能。

但如果你使用的是Windows，则需要使用Bonjour软件。下面我们就来看看如何设置。

参考资料

4.3.1 为Microsoft Windows设置Bonjour

如果你安装了最新版本的Skype或iTunes，你就会拥有这款软件。你可以使用本指南检查它是否已经存在并启用它：https://smallbusiness.chron.com/enable-bonjour-65245.html。

你可以在命令提示符中使用以下命令来检查它是否已经运行：

C:\Users\danny>ping raspberrypi.local

如果你看到这个，说明你已经安装了 Bonjour：

64 bytes from 192.168.0.53 (192.168.0.53): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.113 ms

64 bytes from 192.168.0.53 (192.168.0.53): icmp_seq=2 ttl=64 time=0.079 ms

如果你看到这个，你需要安装它：

Ping request could not find host raspberrypi.local. Please check the name and try again.

为此，请浏览 Apple Bonjour For Windows 网站 https://support.apple.com/downloads/bonjour_for_windows 并下载，然后安装 Download Bonjour Print Services for Windows。运行该程序后，Windows 就能按名称查询 mDNS 设备了。

4.3.2 测试设置

Raspberry Pi的绿灯应该已经停止闪烁，只能看到红色的电源指示灯。这表明Pi已完成启动并连接到网络。

如果一切顺利，电脑将显示已连接到 Pi：

$ ping raspberrypi.local

PING raspberrypi.local (192.168.0.53) 56(84) bytes of data.

64 bytes from 192.168.0.53 (192.168.0.53): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.113 ms

64 bytes from 192.168.0.53 (192.168.0.53): icmp_seq=2 ttl=64 time=0.079 ms

64 bytes from 192.168.0.53 (192.168.0.53): icmp_seq=3 ttl=64 time=0.060 ms

64 bytes from 192.168.0.53 (192.168.0.53): icmp_seq=4 ttl=64 time=0.047 ms

4.3.3 故障排除

如果 Raspberry Pi 似乎没有响应ping操作，你可以采取以下步骤尝试诊断和补救。尝试以下步骤：

  • 仔细检查连接。你应该看到绿灯闪烁几下，红灯持续亮起。如果没有，请拔下电源插头，确保 SD 卡插稳，然后再试一次。
  • 在启动Raspberry Pi时使用Wi-Fi 接入点设置，看看它是否在那里获取了IP地址。
  • 如果您在Wi-Fi路由器上找到Raspberry Pi，这可能意味着mDNS没有在您的计算机上正确运行。如果尚未安装，请重新安装。在 Windows 上，不同版本的 Bonjour 打印服务、Skype Bonjour 和 iTunes Bonjour 如果安装在一起可能会发生冲突。请使用 Windows 的添加/删除功能查看是否有多个版本，并删除所有 Bonjour 实例，然后重新安装官方版本。
  • 接下来，关闭电源，取出 SD 卡，将其放回电脑，仔细检查wpa_supplicant.conf文件是否存在，并确保 Wi-Fi 详情和国家代码正确无误。该文件中最常见的错误如下：a) Wi-Fi 详情不正确; b) 缺少引号或缺少/不正确的标点符号;c)国家代码错误或缺失;d)关键字大小写错误（关键字应小写，国家代码应大写）
  • 当 Raspberry Pi 启动时，SSH 文件会被删除。如果你确定它存在并已被移除，这意味着 Pi 确实启动了。
  • 最后，您可能需要在连接屏幕和键盘的情况下启动Pi，并尝试诊断问题。显示屏会告诉您wpa_supplicant.conf是否存在其他问题或其他问题。使用屏幕文本并在网上搜索答案。我无法在此重现所有这些问题，因为这里可能出现多种问题。我还建议使用 #raspberrypi 标签在 Twitter、Stack Overflow 或 Raspberry Pi 论坛（https://www.raspberrypi.org/forums/）上提问。

我们现在已经验证了 Pi 与网络的连接，并一路排除了各种问题。我们可以通过
ping 找到它。现在我们知道它就在那里，让我们连接到它。

4.4 使用PuTTY或SSH连接Raspberry Pi

windows推荐：MobaXterm或git bash， Linux和MacOS可直接使用bash，Linux的PAC也挺不错。下面以跨平台但是不太好用的PuTTY为例：

如果您已经使用SSH客户端，请注意并非所有Windows命令行SSH客户端都支持mDNS。

PuTTY 是访问 SSH 的便捷工具，适用于 Windows、Linux 和 Mac。这些操作系统的安装信息可在 https://www.ssh.com/ssh/putty/上找到。

从上述链接安装好PuTTY后，让我们将它连接到 Raspberry Pi。继续
启动 PuTTY。你会看到如图的界面。在 "主机名（或 IP 地址）"框中输入 raspberrypi.local，然后点击 "打开 "登录到你的 Pi：

第一次执行此操作时，PuTTY 会显示安全警告，要求你添加 Pi 的密钥（如果你信任它）。单击 "是"；只有当另一个具有相同主机名的设备（例如新的 Raspberry Pi）使用不同的密钥出现时，PuTTY 才会再次询问你。当你看到 "Login as"提示时，输入pi，按Enter，并使用密码raspberry。现在你将看到类似下图的内容，表明你已连接到 Pi：

4.5 配置Raspberry Pi操作系统

我们可以使用raspi-config工具来完成许多这些任务，它是一个菜单系统，用于在 Raspberry Pi OS 上执行配置任务。

sudo raspi-config

4.5.1 重新命名你的 Pi

在raspi-config中选择Network Options(网络选项)-> Hostname（主机名）：

4.5.2 更改用户密码

在raspi-config顶部菜单中选择"更改用户密码"：

4.5.3 重启并重新连接

使用Tab按钮转到"完成"项，然后按 Enter：

下一个屏幕会询问您是否要重启Pi。选择是并按回车键：

Raspberry Pi将开始重置，在重置过程中，PuTTY会话将被断开。等待几分钟，Pi上的绿色活动指示灯会闪烁一下，然后稳定下来。PuTTY会告诉你已经失去了与它的连接。此时 Pi已关闭。红灯将一直亮着，直到你拔掉电源：

4.5.4 更新 Raspberry Pi 上的软件

$ sudo apt update – y && sudo apt upgrade -y

4.5.5 关闭树莓派

sudo poweroff

等待绿灯活动停止；PuTTY会检测到它已断开连接。现在可以安全断开电源了。

在不预期的情况下拔掉Raspberry Pi的电源可能会导致文件丢失和 SD卡损坏。您可能会丢失工作并损坏 SD 卡。请务必使用正确的关机程序。