### 第14课自动避障智能车 #### 14.1 项目介绍：在上一节课中，我们制作了一辆能够跟随物体的智能小车。其实，利用同样的硬件和接线方式，我们只需要修改程序逻辑，就能让这辆小车从“跟随者”变身为“探险家”——也就是自动避障智能车。避障智能车就像长了眼睛一样，它能通过超声波传感器探测前方的障碍物。当发现前方有障碍时，它会停下来，“左顾右盼”（转动舵机带动超声波探头），比较左边和右边哪个方向更宽敞，然后选择空间更大的一侧转弯绕过障碍，继续前进。同时，为了让互动更有趣，小车前方的 8x16 LED点阵屏还会实时显示当前运动状态的图标（如箭头或文字）。 #### 14.2 工作原理与逻辑为了让小车聪明地避开障碍，我们需要设计一套清晰的判断逻辑。我们可以把小车的思考过程整理成下面的表格： | 检测情况 | 中间距离 (distance) | 左侧距离 (distance_l) vs 右侧距离 (distance_r) | 小车动作 |点阵屏显示内容 | | :--: | :--: | :--: |:--: | :--: | | 发现障碍 | 0 < distance < 20 cm | 左侧距离 > 右侧距离 | 向左转 (左边更宽敞) |向左箭头 ← | | 发现障碍 | 0 < distance < 20 cm | 左侧距离 ≤ 右侧距离 | 向右转 (右边更宽敞或一样) |向右箭头 → | | 发现障碍 | distance ≥ 20 cm |无需比较 | 直行 |向上箭头 ↑ | ![](../../img/flow_chart_02.png) **核心步骤：** - 1\. 测距：超声波模块一直测量正前方的距离。 - 2\. 判断：如果前方距离小于20厘米，说明有障碍，立即停车。 - 3\. 侦察：控制舵机先转向左边测一次距离，再转向右边测一次距离。 - 4\. 决策：比较左右两边的距离，哪边远就往哪边转。 - 5\. 复位：转弯后，将舵机转回正前方，继续直行。 #### 14.3 项目组件： | 组装好的智能车(未插上蓝牙模块) *1 |USB线 *1 | 5号(1.5V)电池 *6（电池自备） | | --- | --- | --- | | ![](../../img/image4.png) | ![](../../img/image8.png)| ![](../../img/image11.png) | #### 14.4 接线图： ⚠️ 特别注意：4WD智能车已经组装好了，这里不需要把超声波传感器、舵机、8x16 LED点阵模块和4个电机拆下来又重新组装和接线，这里再次提供接线图，是为了方便您编写代码！ | 超声波传感器 | 电机驱动扩展板 | | :--: | :--: | | Vcc | 5V | | Trig | D12 | | Echo | D13 | | Gnd | G | | 舵机 | 电机驱动扩展板 | | :--: | :--: | | 棕色线 | G | | 红色线 | 5V | | 橙色线 | S（D10）| | 8x16 LED点阵模块 | 电机驱动扩展板 | | :--: | :--: | | GND | G | | VCC | 5V | | SDA | A4 | | SCL | A5 | | 电机 | 电机驱动扩展板 | | :--: | :--: | | 左侧电机（M1） | B2 | | 左侧电机（M2） | B1 | | 右侧电机（M3） | A1 | | 右侧电机（M4） | A2 | ![](../../img/image86.png) ⚠️ **特别注意：** - 接线时请确保电源断开(拔掉Arduino主控板上的USB线或将电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**OFF**” 端)，避免短路。 - 电源连接：电池盒电源接到电机驱动扩展板的 BAT 接口（注意正负极不要接反），端口正反面，请勿反插，否则会损坏端口。 - 电池正负极切勿接反，否则可能烧毁电机驱动扩展板。 #### 14.5 示例代码： ⚠️ **重要提示：** - **上传示例代码前，请务必拔掉蓝牙模块！因为蓝牙模块也占用Arduino的串口通信（TX/RX），如果不拔掉，示例代码上传会失败。** ```cpp /* keyes 4WD 多功能智能车课程 14 超声波避障机器人 http://www.keyes-robot.com */ #include Servo myservo; // 舵机对象 // 数组，用于存储点阵图案数据，可自行计算或使用取模工具获得 unsigned char FRONT[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x24, 0x12, 0x09, 0x12, 0x24, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; unsigned char LEFT[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x44, 0x28, 0x10, 0x44, 0x28, 0x10, 0x44, 0x28, 0x10, 0x00}; unsigned char RIGHT[] = {0x00, 0x10, 0x28, 0x44, 0x10, 0x28, 0x44, 0x10, 0x28, 0x44, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; unsigned char STOP01[] = {0x2E, 0x2A, 0x3A, 0x00, 0x02, 0x3E, 0x02, 0x00, 0x3E, 0x22, 0x3E, 0x00, 0x3E, 0x0A, 0x0E, 0x00}; unsigned char CLEAR[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; #define SCL_PIN A5 // 时钟引脚 A5 #define SDA_PIN A4 // 数据引脚 A4 #define TRIG_PIN 12 // 超声波触发引脚 D12 #define ECHO_PIN 13 // 超声波回声引脚 D13 #define MA_PIN 2 // 电机M3,M4方向控制引脚 D2 #define PWMA_PIN 6 // 电机M3,M4速度控制引脚 D6 #define MB_PIN 4 // 电机M1,M2方向控制引脚 D4 #define PWMB_PIN 5 // 电机M1,M2速度控制引脚 D5 int distance = 0; int distanceL = 0; int distanceR = 0; /* 功能：初始化设置 */ void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口，波特率9600 myservo.attach(10); // 绑定舵机引脚10 pinMode(ECHO_PIN, INPUT); // 设置回声引脚为输入 pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); // 设置触发引脚为输出 pinMode(MA_PIN, OUTPUT); // 设置电机方向引脚为输出 pinMode(PWMA_PIN, OUTPUT); // 设置电机速度引脚为输出 pinMode(MB_PIN, OUTPUT); // 设置电机方向引脚为输出 pinMode(PWMB_PIN, OUTPUT); // 设置电机速度引脚为输出 pinMode(SCL_PIN, OUTPUT); // 设置时钟引脚为输出 pinMode(SDA_PIN, OUTPUT); // 设置数据引脚为输出 matrixDisplay(CLEAR); // 点阵屏清屏 myservo.write(90); // 舵机初始角度90度 delay(500); } /* 功能：主循环 */ void loop() { distance = getDistance(); // 获取前方距离 if (distance > 0 && distance < 20) { // 距离小于20且大于0时避障 stopCar(); // 停车 matrixDisplay(STOP01); // 显示停止图案 delay(100); myservo.write(180); // 舵机转到180度检测左侧距离 delay(500); distanceL = getDistance(); // 获取左侧距离 delay(100); myservo.write(0); // 舵机转到0度检测右侧距离 delay(500); distanceR = getDistance(); // 获取右侧距离 delay(100); if (distanceL > distanceR) { // 左侧距离大于右侧，左转 turnLeft(); matrixDisplay(LEFT); // 显示左转图案 delay(1000); myservo.write(90); // 舵机回中 matrixDisplay(FRONT); // 显示前进图案 } else { // 右侧距离大于左侧，右转 turnRight(); matrixDisplay(RIGHT); // 显示右转图案 delay(1000); myservo.write(90); // 舵机回中 matrixDisplay(FRONT); // 显示前进图案 } } else { // 距离大于等于20，继续前进 advance(); matrixDisplay(FRONT); // 显示前进图案 } } /* 功能：获取超声波距离（单位：厘米） */ int getDistance() { int dist = 0; digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // 触发引脚低电平2微秒 delayMicroseconds(2); digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); // 触发引脚高电平10微秒 delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // 触发引脚低电平 dist = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH) / 58; // 计算距离 Serial.println(dist); // 输出距离值 return dist; } /* 功能：小车前进 */ void advance() { digitalWrite(MA_PIN, HIGH); // 电机A正转 analogWrite(PWMA_PIN, 180); // 电机A速度180 digitalWrite(MB_PIN, HIGH); // 电机B正转 analogWrite(PWMB_PIN, 180); // 电机B速度180 } /* 功能：小车后退 */ void back() { digitalWrite(MA_PIN, LOW); // 电机A反转 analogWrite(PWMA_PIN, 180); // 电机A速度180 digitalWrite(MB_PIN, LOW); // 电机B反转 analogWrite(PWMB_PIN, 180); // 电机B速度180 } /* 功能：小车左转 */ void turnLeft() { digitalWrite(MA_PIN, HIGH); // 电机A正转 analogWrite(PWMA_PIN, 180); // 电机A速度180 digitalWrite(MB_PIN, LOW); // 电机B反转 analogWrite(PWMB_PIN, 180); // 电机B速度180 } /* 功能：小车右转 */ void turnRight() { digitalWrite(MA_PIN, LOW); // 电机A反转 analogWrite(PWMA_PIN, 180); // 电机A速度180 digitalWrite(MB_PIN, HIGH); // 电机B正转 analogWrite(PWMB_PIN, 180); // 电机B速度180 } /* 功能：小车停止 */ void stopCar() { analogWrite(PWMA_PIN, 0); // 电机A速度0 analogWrite(PWMB_PIN, 0); // 电机B速度0 } /* 功能：点阵屏显示图案 */ void matrixDisplay(unsigned char matrixValue[]) { IICStart(); // 开始传输 IICSend(0xc0); // 选择点阵地址 for (int i = 0; i < 16; i++) { // 发送16字节图案数据 IICSend(matrixValue[i]); } IICEnd(); // 结束传输 IICStart(); IICSend(0x8A); // 显示控制，脉宽4/16 IICEnd(); } /* 功能：IIC开始信号 */ void IICStart() { digitalWrite(SCL_PIN, HIGH); delayMicroseconds(3); digitalWrite(SDA_PIN, HIGH); delayMicroseconds(3); digitalWrite(SDA_PIN, LOW); delayMicroseconds(3); } /* 功能：IIC发送一个字节 */ void IICSend(unsigned char sendData) { for (char i = 0; i < 8; i++) { // 发送8位数据 digitalWrite(SCL_PIN, LOW); // 时钟拉低，准备改变数据线状态 delayMicroseconds(3); if (sendData & 0x01) { // 判断最低位 digitalWrite(SDA_PIN, HIGH); } else { digitalWrite(SDA_PIN, LOW); } delayMicroseconds(3); digitalWrite(SCL_PIN, HIGH); // 时钟拉高，数据有效 delayMicroseconds(3); sendData = sendData >> 1; // 右移一位，准备发送下一位 } } /* 功能：IIC结束信号 */ void IICEnd() { digitalWrite(SCL_PIN, LOW); delayMicroseconds(3); digitalWrite(SDA_PIN, LOW); delayMicroseconds(3); digitalWrite(SCL_PIN, HIGH); delayMicroseconds(3); digitalWrite(SDA_PIN, HIGH); delayMicroseconds(3); } ``` #### 14.6 项目结果： ⚠️ **重要提示：** - **上传示例代码前，请务必拔掉蓝牙模块！因为蓝牙模块也占用Arduino的串口通信（TX/RX），如果不拔掉，示例代码上传会失败。** 外接电源，将电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**OFF**” 端。选择好正确的开发板板型（Arduino Uno）和适当的串口端口（COMxx），然后单击 ![Arduino_2.3.6-a40](../../img/Arduino_2.3.6-a40.png) 按钮上传示例代码至Arduino控制板。 - 打开电源：将电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**ON**” 端。 - 4WD智能车会先直行，同时8x16 LED点阵屏显示向前箭头。 - 当你用手或书本挡在4WD智能车前方约20厘米以内处时，4WD智能车会停下，同时8x16 LED点阵屏显示停止符号。 - 随后，你会看到车顶的超声波模块先向左转，再向右转（像在摇头观察）。 - 根据哪一边空间大，4WD智能车会向那边转弯，同时8x16 LED点阵屏显示对应的箭头；然后恢复直行，同时8x16 LED点阵屏显示向前箭头。 ![](../../img/A08.gif) #### 14.7 代码解释： 1\. 变量定义：我们定义了`distance`（前方距离）、`distanceL`（左侧距离）和`distanceR（右侧距离）三个变量来存储超声波测量的结果。 ```C int distance = 0; int distanceL = 0; int distanceR = 0; ``` 2\. loop()主逻辑： ```C void loop() { distance = getDistance(); // 获取前方距离 if (distance > 0 && distance < 20) { // 距离小于20且大于0时避障 stopCar(); // 停车 matrixDisplay(STOP01); // 显示停止图案 delay(100); myservo.write(180); // 舵机转到180度检测左侧距离 delay(500); distanceL = getDistance(); // 获取左侧距离 delay(100); myservo.write(0); // 舵机转到0度检测右侧距离 delay(500); distanceR = getDistance(); // 获取右侧距离 delay(100); if (distanceL > distanceR) { // 左侧距离大于右侧，左转 turnLeft(); matrixDisplay(LEFT); // 显示左转图案 delay(1000); myservo.write(90); // 舵机回中 matrixDisplay(FRONT); // 显示前进图案 } else { // 右侧距离大于左侧，右转 turnRight(); matrixDisplay(RIGHT); // 显示右转图案 delay(1000); myservo.write(90); // 舵机回中 matrixDisplay(FRONT); // 显示前进图案 } } else { // 距离大于等于20，继续前进 advance(); matrixDisplay(FRONT); // 显示前进图案 } } ``` - 首先调用`getDistance()`测量前方距离。 - if 判断：如果距离小于20cm，进入避障流程。 - 避障流程： - 1\. `stopCar()`停车。 - 2\. `myservo.write(180)`让舵机带超声波探头转向左边，延时等待稳定后测距。 - 3\. `myservo.write(0)`让探头转向右边，延时等待稳定后测距。 - 4\. 比较 `distanceL` 和 `distanceR`，决定调用 `turnLeft()` 还是 `turnRight()`。 - else 分支：如果前方距离足够（>=20cm），则调用 `advance()` 直行。 3\. `getDistance()`函数：这是超声波测距的核心。它通过 Trig 引脚发送一个短暂的高电平脉冲，然后通过 `pulseIn()` 函数读取 Echo 引脚高电平持续的时间，最后除以58转换为厘米。 4\. 电机控制函数：`advance`,`turnLeft`,`turnRight`,`stopCar`分别控制两组电机的方向和速度，从而实现小车的基本运动。 #### 14.8 注意事项: 1\. 电源充足：避障过程中电机频繁启停和转向，耗电较大，请确保电池电量充足，否则小车可能动力不足或重启。 2\. 舵机延时：代码中`delay(500)`非常重要。因为舵机转动需要时间，如果不延时直接测距，测到的可能是转动过程中的错误距离，导致判断失误。 3\. 环境光线：虽然超声波不受光线影响，但如果在非常狭窄或杂乱的环境中，超声波可能会产生反射干扰，建议在开阔平坦的地面测试。 4\. 盲区问题：超声波传感器有一定的检测盲区（通常2-3cm以内），如果障碍物贴得太近，可能无法准确检测。