快速具備Raspberry Pi的程式設計知識 輕鬆掌握機器人專案的實作技巧
輕鬆進入Raspberry Pi的世界 建構專屬於你的智慧型機器人
◎內容編排由淺入深，透過本書學習Raspberry Pi，可充分理解程式設計的精髓
◎建置專屬開發環境及超酷機器人專案，從專案設計與開發的過程中獲得操作樂趣
◎著重機器人電腦視覺的應用，引導你進入智慧型機器人的領域
Raspberry Pi是套價格低廉但高效能的電腦係統，大小不過就像信用卡一樣，由於迷你，因此可應用於任何你所能想到的地方。本書將介紹如何運用這颱神奇的小電腦，來建置你專屬的開發環境、製作超酷的機器人專案，從專案設計與開發的過程中獲得實作的樂趣。
本書內容的編排由淺入深，你不需要有Raspberry Pi的基礎，即可經由本書進入Raspberry Pi的世界。而關於機器人的製作方麵，則是以坊間常見的馬達、驅動電路闆以及感測器來製作，如此可用最少的錢、最方便的方式來建構機器人。另外，本書特別強調機器人電腦視覺的應用，希望慢慢引導你進入智慧型機器人的領域。
本書適用於大專院校「微處理機」、「機電整閤」、「專題製作」等課程，可提供老師教學、學生研習之用。若你是業餘玩傢、專案設計者，也很適閤閱讀本書。本書的內容以Linux作業係統及Python程式設計為主，而機器人的應用則以伺服馬達控製以及直流馬達控製為主，並導入OpenCV電腦視覺的概念於機器人的設計應用中。本書內容淺顯易懂，程式內容小而實用，閱讀後可以充分理解程式設計的精髓。
閱讀本書後，你將學到下列的精彩內容：
＊建置Raspberry Pi 3開發環境。
＊Linux基本係統管理。
＊透過網路遠端管理Raspberry Pi 3。
＊Python基本程式設計。
＊Raspberry Pi GPIO程式設計。
＊Raspberry Pi攝影機程式設計。
＊Raspberry Pi與Arduino的整閤應用。
＊六軸機械手臂控製。
＊四軸兩足機器人控製。
＊輪型機器人控製。
＊Python OpenCV基本影像處理：
＊OpenCV人臉辨識。
＊機器人電腦視覺應用。
具體描述
好的，這是一本涵蓋瞭樹莓派（Raspberry Pi）基礎入門知識，並深入探討其實踐應用，特彆是與機器人製作相結閤的綜閤性電子書的詳細內容介紹。 --- 樹莓派與機器人實戰應用：從零開始的係統構建與實踐指南 (電子書內容概述) 本書旨在為對嵌入式係統、物聯網（IoT）以及機器人技術感興趣的初學者和進階愛好者提供一個全麵且實用的學習路徑。我們不專注於某一特定型號的樹莓派，而是著重於通用的係統構建理念、編程技巧以及項目實現方法。 第一部分：樹莓派硬件與係統基礎（根基的奠定） 本部分詳細介紹瞭樹莓派作為核心計算平颱的必要知識，確保讀者能夠快速搭建起工作環境並理解其工作原理。 第一章：認識樹莓派——不僅僅是一塊電路闆 樹莓派傢族概覽： 簡要對比不同型號（如Pi 4、Pi Zero W等）的性能差異、接口布局及其適用場景。強調選擇閤適的硬件平颱對於項目成功的重要性。 硬件組件詳解： 深入解析核心組件，包括CPU/GPU架構、內存配置、GPIO（通用輸入輸齣）引腳的功能劃分（數字I/O、模擬輸入/輸齣——通過外部ADC實現、PWM脈衝寬度調製等）。 供電與散熱： 探討不同工作負載下的電源需求，以及保證係統穩定運行的散熱策略，避免因過熱導緻的性能下降或係統崩潰。 第二章：操作係統安裝與環境配置 選擇閤適的操作係統： 詳細介紹樹莓派官方推薦的Raspberry Pi OS（原名Raspbian）的優勢，並探討安裝其他輕量級或專用操作係統的可行性。 SD卡準備與係統燒錄： 步驟指導如何使用官方工具或其他第三方軟件安全、高效地將係統鏡像寫入SD卡。 首次啓動與基礎網絡配置： 引導讀者完成初始的桌麵環境設置、SSH遠程訪問的啓用、Wi-Fi與有綫網絡的連接，為後續的無頭（Headless）操作打下基礎。 軟件源管理與係統更新： 教授如何使用`apt`包管理器進行軟件安裝、升級和維護係統安全。 第三章：Python編程入門與GPIO控製 Python環境搭建與基礎語法迴顧： 針對嵌入式開發的特性，快速迴顧必要的Python知識，重點放在數據結構、函數和麵嚮對象編程的概念。 使用GPIO Zero庫進行快速原型設計： 深入講解如何利用高級抽象庫（如`gpiozero`）快速地對LED、按鈕、繼電器等基礎元件進行控製，極大地簡化瞭入門難度。 低級控製與RPi.GPIO庫的應用： 在需要更高性能或更精細控製時，介紹傳統的`RPi.GPIO`庫的使用方法，包括中斷處理和時序控製。 PWM應用實例： 通過代碼示例演示如何利用PWM控製舵機（Servo Motor）的角度變化，這是機器人運動控製的基礎。 第二部分：傳感器接口與數據采集（感知世界） 機器人和自動化係統必須能夠“感知”環境，本部分專注於如何將各種傳感器集成到樹莓派係統中。 第四章：模擬與數字傳感器的連接 數字傳感器實踐： 連接和讀取超聲波測距模塊（HC-SR04）、紅外對射模塊（用於循跡）等，解析其輸齣數據。 模擬信號處理的挑戰與解決方案： 樹莓派原生不具備ADC（模數轉換器）。詳細介紹如何選用和配置外部I2C或SPI接口的ADC芯片（如MCP3008），實現溫度、光照強度等模擬信號的準確采集。 串行通信協議實踐： 重點講解I2C和SPI協議，包括如何在Python中利用`smbus2`或相關庫與傳感器芯片進行雙嚮通信，讀取復雜數據。 第五章：高級感知模塊集成 視覺處理基礎（OpenCV與PiCamera）： 介紹如何配置樹莓派攝像頭模塊，並使用OpenCV庫進行圖像捕獲、處理和基礎的對象識彆。探討如何在樹莓派上優化實時視頻流的處理效率。 IMU慣性測量單元應用： 講解如何連接和讀取MPU6050等六軸或九軸傳感器，獲取機器人的姿態、加速度和角速度數據，為後續的姿態解算做準備。 第三部分：機器人係統構建與核心控製（行動的實現） 本部分將理論知識轉化為具體的機器人項目實踐，涵蓋運動控製、電機驅動和係統集成。 第六章：電機驅動與運動控製理論 直流電機與步進電機驅動原理： 詳細解析H橋（如L298N或更高效的MOSFET驅動闆）的工作原理，以及如何通過PWM信號精確控製直流電機的轉速和方嚮。 步進電機的高精度定位： 介紹步進電機的驅動模式（全步、半步），並提供使用專用驅動芯片（如A4988）控製步進電機進行精確角度定位的代碼示例。 舵機（Servo）的精確控製： 再次深入PWM在舵機控製中的應用，強調如何避免不同PWM輸齣之間的信號乾擾。 第七章：移動機器人平颱實戰 底盤選型與機械裝配： 討論兩輪差速驅動、四輪麥剋納姆輪等常見機器人底盤的優缺點，以及裝配時的機械結構注意事項。 PID控製基礎與速度環實現： 引入比例-積分-微分（PID）控製算法。重點講解如何利用編碼器反饋（如霍爾效應傳感器或光學編碼器）獲取實際速度，並使用PID算法實現對電機速度的閉環精確控製，解決打滑和漂移問題。 裏程計與航位推算（Odometry）： 基於輪速和時間積分，編寫代碼實時估算機器人在平麵上的位置和朝嚮。 第八章：機器人係統集成與高級應用 集成化項目——自主導航基礎： 將傳感器數據（超聲波、編碼器）與電機控製結閤，實現簡單的避障和定點巡航功能。 無綫遠程控製： 介紹如何利用網絡協議（如Socket編程或MQTT）在本地網絡或互聯網上構建一個控製界麵（如Web服務器或手機App），實現對機器人的實時遙控。 電源管理與係統健壯性： 討論如何為樹莓派和高功率電機提供獨立且穩定的電源，以及在項目長時間運行時確保係統的穩定性和數據可靠性。 --- 本書特色總結： 本書側重於實踐性和係統性。它不僅僅是API的羅列，而是通過貫穿始終的實戰案例，引導讀者理解從底層硬件通信到上層控製算法的全過程。讀者將學會如何“診斷”硬件連接問題，如何優化Python代碼以適應嵌入式環境的資源限製，並最終構建一個具備感知、決策和執行能力的完整機器人係統。學習完成後，讀者將具備獨立設計、實現和調試基於樹莓派的自動化與機器人項目所需的關鍵技能。
著者信息
圖書目錄
Chapter01 Raspberry Pi開發闆
1.1 簡介
1.2 組裝Raspberry Pi
1.3 Raspbian簡介
1.4 在Windows上燒錄映像檔
1.5 啟動Raspbian作業係統
1.6 Raspbian環境設定
1.7 圖形化檔案管理
1.8 啟動終端機
Chapter02 Linux基本操作
2.1 簡介
2.2 Linux檔案係統
2.3 檔案管理指令
2.4 編輯文字檔案
2.5 目錄管理
2.6 瞭解檔案權限
2.7 係統管理
2.8 更新作業係統
2.9 尋找及安裝軟體套件
2.10 自動執行程式
2.11 捕捉螢幕畫麵
2.12 Shell Script簡介
Chapter03 Raspberry Pi連上網路
3.1 簡介
3.2 以網路線連上網路
3.3 配置靜態IP位址
3.4 Wi-Fi無線網路
3.5 SSH簡介
3.6 緻能Pi的SSH Server
3.7 Linux主機遠端存取Pi
3.8 Windows主機遠端連結Pi
3.9 使用SFTP傳送檔案至Pi
3.10 VNC簡介
3.11 安裝VNC伺服器
3.12 下載VNC Viewer
3.13 自動執行VNC伺服器
Chapter04 Python基本語法
4.1 簡介
4.2 啟動Python
4.3 Python基礎
4.4 Python字串處理
4.5 Python控製敘述
4.6 自定義函數
4.7 List串列
4.8 Dictionary字典
4.9 格式化數值
4.10 返迴多個數值
4.11 使用模組
4.12 在Python中執行Linux指令
4.13 寫入檔案
4.14 讀取檔案
4.15 例外處理
Chapter05 Python GPIO控製
5.1 簡介
5.2 點亮LED
5.3 LED閃爍程式
5.4 控製LED的亮度
5.5 連接按鈕開關
5.6 切換LED亮滅
Chapter06 Python攝影機控製
6.1 簡介
6.2 安裝Webcam
6.3 使用fswebcam
6.4 fswebcam定時捕捉影像
6.5 使用Webcam錄製視訊
6.6 以PyGame控製Webcam
6.7 連接Pi相機模組
6.8 使用raspistill及raspivid
6.9 建立縮時攝影
6.10 自動執行縮時攝影
Chapter07 伺服馬達控製
7.1 簡介
7.2 舵機結構
7.3 舵機工作原理
7.4 Raspberry Pi控製舵機
7.5 舵機控製闆
7.6 舵機控製闆命令格式
7.7 Raspberry Pi控製舵機控製闆
Chapter08 六軸機械手臂控製
8.1 簡介
8.2 組裝六軸機械手臂
8.3 控製六軸機械手臂取放物
Chapter09 四軸兩足機器人控製
9.1 簡介
9.2 組裝四軸兩足機器人
9.3 步行原理
9.4 控製四軸兩足機器人前進後退
9.5 控製四軸兩足機器人左轉與右轉
Chapter10 直流馬達控製
10.1 簡介
10.2 直流馬達特性
10.3 Raspberry Pi 3控製直流馬達
10.4 RaspiRobot驅動闆
10.5 連接RRB3及Raspberry Pi
Chapter11 輪型機器人控製
11.1 簡介
11.2 輪型機器人組裝
11.3 Robot驅動闆
11.4 Raspberry Pi連接Robot驅動闆
11.5 控製輪型機器人
11.6 超音波感測器模組
11.7 Raspberry Pi超音波測距
11.8 輪型機器人自動避開障礙物
Chapter12 Raspberry Pi與Arduino
12.1 簡介
12.2 在Pi中安裝Arduino IDE
12.3 Pi與Arduino序列傳輸
12.4 Arduino序列傳送類比值給Pi
12.5 Pi與Arduino整閤：使用Firmata
12.6 使用Firmata
12.7 Pi控製Arduino數位輸齣
12.8 Pi讀取Arduino數位輸入
12.9 Pi讀取Arduino的類比輸入
12.10 Pi控製Arduino PWM輸齣
Chapter13 OpenCV簡介
13.1 簡介
13.2 安裝OpenCV
13.3 OpenCV基本操作
13.4 色彩空間轉換
13.5 影像平移
13.6 影像鏇轉
13.7 影像放大縮小
13.8 仿射轉換
13.9 投影轉換
13.10 2D捲積
13.11 模糊化
13.12 邊緣偵測
13.13 侵蝕和膨脹
Chapter14 OpenCV人臉辨識
14.1 簡介
14.2 使用Haar cascades來檢測事物
14.3 積分影像
14.4 人臉辨識
14.5 偵測眼睛
14.6 偵測嘴巴
14.7 偵測鼻子
14.8 偵測耳朵
14.9 偵測貓臉
Chapter15 機器人電腦視覺應用
15.1 簡介
15.2 OpenCV連接Webcam
15.3 色彩空間
15.4 OpenCV偵測球的顏色
15.5 OpenCV顯示球的位置
15.6 OpenCV動態人臉辨識
1.1 簡介
1.2 組裝Raspberry Pi
1.3 Raspbian簡介
1.4 在Windows上燒錄映像檔
1.5 啟動Raspbian作業係統
1.6 Raspbian環境設定
1.7 圖形化檔案管理
1.8 啟動終端機
Chapter02 Linux基本操作
2.1 簡介
2.2 Linux檔案係統
2.3 檔案管理指令
2.4 編輯文字檔案
2.5 目錄管理
2.6 瞭解檔案權限
2.7 係統管理
2.8 更新作業係統
2.9 尋找及安裝軟體套件
2.10 自動執行程式
2.11 捕捉螢幕畫麵
2.12 Shell Script簡介
Chapter03 Raspberry Pi連上網路
3.1 簡介
3.2 以網路線連上網路
3.3 配置靜態IP位址
3.4 Wi-Fi無線網路
3.5 SSH簡介
3.6 緻能Pi的SSH Server
3.7 Linux主機遠端存取Pi
3.8 Windows主機遠端連結Pi
3.9 使用SFTP傳送檔案至Pi
3.10 VNC簡介
3.11 安裝VNC伺服器
3.12 下載VNC Viewer
3.13 自動執行VNC伺服器
Chapter04 Python基本語法
4.1 簡介
4.2 啟動Python
4.3 Python基礎
4.4 Python字串處理
4.5 Python控製敘述
4.6 自定義函數
4.7 List串列
4.8 Dictionary字典
4.9 格式化數值
4.10 返迴多個數值
4.11 使用模組
4.12 在Python中執行Linux指令
4.13 寫入檔案
4.14 讀取檔案
4.15 例外處理
Chapter05 Python GPIO控製
5.1 簡介
5.2 點亮LED
5.3 LED閃爍程式
5.4 控製LED的亮度
5.5 連接按鈕開關
5.6 切換LED亮滅
Chapter06 Python攝影機控製
6.1 簡介
6.2 安裝Webcam
6.3 使用fswebcam
6.4 fswebcam定時捕捉影像
6.5 使用Webcam錄製視訊
6.6 以PyGame控製Webcam
6.7 連接Pi相機模組
6.8 使用raspistill及raspivid
6.9 建立縮時攝影
6.10 自動執行縮時攝影
Chapter07 伺服馬達控製
7.1 簡介
7.2 舵機結構
7.3 舵機工作原理
7.4 Raspberry Pi控製舵機
7.5 舵機控製闆
7.6 舵機控製闆命令格式
7.7 Raspberry Pi控製舵機控製闆
Chapter08 六軸機械手臂控製
8.1 簡介
8.2 組裝六軸機械手臂
8.3 控製六軸機械手臂取放物
Chapter09 四軸兩足機器人控製
9.1 簡介
9.2 組裝四軸兩足機器人
9.3 步行原理
9.4 控製四軸兩足機器人前進後退
9.5 控製四軸兩足機器人左轉與右轉
Chapter10 直流馬達控製
10.1 簡介
10.2 直流馬達特性
10.3 Raspberry Pi 3控製直流馬達
10.4 RaspiRobot驅動闆
10.5 連接RRB3及Raspberry Pi
Chapter11 輪型機器人控製
11.1 簡介
11.2 輪型機器人組裝
11.3 Robot驅動闆
11.4 Raspberry Pi連接Robot驅動闆
11.5 控製輪型機器人
11.6 超音波感測器模組
11.7 Raspberry Pi超音波測距
11.8 輪型機器人自動避開障礙物
Chapter12 Raspberry Pi與Arduino
12.1 簡介
12.2 在Pi中安裝Arduino IDE
12.3 Pi與Arduino序列傳輸
12.4 Arduino序列傳送類比值給Pi
12.5 Pi與Arduino整閤：使用Firmata
12.6 使用Firmata
12.7 Pi控製Arduino數位輸齣
12.8 Pi讀取Arduino數位輸入
12.9 Pi讀取Arduino的類比輸入
12.10 Pi控製Arduino PWM輸齣
Chapter13 OpenCV簡介
13.1 簡介
13.2 安裝OpenCV
13.3 OpenCV基本操作
13.4 色彩空間轉換
13.5 影像平移
13.6 影像鏇轉
13.7 影像放大縮小
13.8 仿射轉換
13.9 投影轉換
13.10 2D捲積
13.11 模糊化
13.12 邊緣偵測
13.13 侵蝕和膨脹
Chapter14 OpenCV人臉辨識
14.1 簡介
14.2 使用Haar cascades來檢測事物
14.3 積分影像
14.4 人臉辨識
14.5 偵測眼睛
14.6 偵測嘴巴
14.7 偵測鼻子
14.8 偵測耳朵
14.9 偵測貓臉
Chapter15 機器人電腦視覺應用
15.1 簡介
15.2 OpenCV連接Webcam
15.3 色彩空間
15.4 OpenCV偵測球的顏色
15.5 OpenCV顯示球的位置
15.6 OpenCV動態人臉辨識
圖書試讀
用戶評價
评分
這本書的封麵設計很有吸引力，尤其是那種結閤瞭科技感和一點點復古的排版風格，讓人一眼就能感受到它想傳達的「動手做」精神。我手上這本是電子書版本，翻閱起來非常方便，隨時隨地都可以點開來看，這點對我這種通勤族來說簡直是救星。從書名來看，它瞄準的客群非常明確，就是那些對樹莓派（Raspberry Pi）有興趣，但可能還停留在「聽過」階段的入門者，同時還帶入瞭「機器人實作」這個非常實際的應用場景。這讓我覺得，這本書不隻是停留在軟體或硬體的理論介紹，而是有很強的實戰導嚮。我期待它能幫我打好基礎，讓我未來在嘗試自己的專案時，可以少走一些彎路，尤其是在硬體介麵和基本程式語言的整閤部分，希望作者能用非常生活化、好懂的方式來解釋，而不是堆砌一堆艱澀的技術名詞。畢竟，入門書最怕的就是讓人一看就打退堂鼓，期待它能提供足夠的鼓勵和清晰的步驟指引。
评分閱讀電子書的好處就是方便搜尋關鍵字，但相對地，它也考驗著作者的組織架構能力。從目錄結構來看，這本書似乎採取瞭「先軟體後硬體，最後整閤應用」的邏輯，這是一個很穩健的編排方式。對於完全新手來說，先熟悉操作係統和基礎的命令列操作是必要的暖身。我比較好奇的是，在進入「機器人實作」的部分，它會選用哪種等級難度的專案作為範例？是簡單的循線小車，還是涉及到較複雜的機械結構與運動學控製？如果範例專案的複雜度適中，且材料清單（BOM List）能列得非常清楚，甚至能提供颱灣在地容易取得的零件採購連結或建議，那對讀者來說實用性會瞬間飆升。畢竟，光是找齊所有零組件，很多時候就耗費瞭入門者大量的時間和耐心。
评分身為一個對電子DIY有點涉獵，但對樹莓派的生態係統還在摸索中的老手，我特別關注這類書籍的「深度與廣度」平衡。很多入門書通常會把「入門」做得太淺，一下子就跳到進階主題，結果兩邊都沒講透。我希望這本《樹莓派入門與機器人實作應用》能在基礎的作業係統安裝、Python環境設定這些基礎功上，給齣足夠詳盡的截圖和操作流程，最好能涵蓋目前主流的幾種Pi機型（例如Pi 4或Pi 5）在設定上有哪些細微差異。更重要的是，既然主打「機器人實作」，那在馬達控製、感測器讀取（像是超音波或紅外線）的章節，我非常期待看到對常見模組（如L298N或更現代的驅動闆）的具體接線圖和控製程式碼範例。如果能附帶一些常見故障排除的Q&A，那就更完美瞭，這會大大提升實作過程中的挫摺忍受度。
评分颱灣的電子DIY社群非常活躍，很多學習資源都是透過網路論壇或部落格零散散落的。因此，一本結構化、有係統的實體（或電子）書籍的價值就在於它的「整閤性」與「可靠性」。我非常重視作者在程式碼撰寫上的風格——是否遵守PEP 8規範、變數命名是否清晰易懂，以及最關鍵的——註解是否足夠豐富。對於機器人控製這種需要時間序列處理和即時反應的應用，程式碼的可讀性直接決定瞭後續除錯的難易度。我希望能看到作者在介紹完基本概念後，馬上就能接上一個「動起來」的小範例，讓讀者快速獲得成就感，而不是在理論的海洋中漂流太久。這種即時迴饋的設計，是讓讀者願意持續鑽研下去的催化劑。
评分最後，談談對於「應用」層麵的期望。樹莓派的魅力不僅在於它能控製硬體，更在於它能連上網路，實現物聯網（IoT）的概念。我衷心期盼這本書在後麵的章節，能夠將機器人實作提升到一個更高的層次，例如如何將機器人透過網路遠端監控，或者加入簡單的資料採集功能，讓這個機器人「活」起來，而不隻是一個被寫死的自動裝置。如果作者能提及如何結閤一些雲端服務（像是免費的IoT平颱串接），那就太棒瞭。這將會是從單純的「電子製作」躍升到「智慧係統整閤」的關鍵一步，充分體現樹莓派作為一颱微型電腦的真正潛力，而不僅僅是一個單片機的替代品。這會讓整本書的價值感從入門工具書，提升到具有前瞻性的實作參考指南。
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