Arduino智能小车系列教程4——超声波避障

Arduino智能小车系列教程

文章目录

准备材料
- 超声波模块HC-SR04
- 舵机固定架
舵机安装
- 超声波接线
代码测试
- 代码详解
  - int getDistance()函数解析
  - void avoidance()函数解析
注意事项
总结

经过前几篇的测试大家应该对小车有一定的认识了，在实际的操作过程中经常会由于操作不当各种碰壁吧？那这次我们将给小车装上一只“眼睛”，让小车看到障碍，躲避障碍。

准备材料

超声波模块HC-SR04

在这里简单说下超声波测距的原理，相信大家也都知道。超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。 1) 采用Trig引脚触发，给至少10us的高电平脉冲信号 2) 模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回 3) 有信号返回，通过Echo引脚输出一个高电平脉冲，高电平脉冲持续的时间就是超声波从发射到反射返回的时间。距离=(高电平脉冲时间*340)/2。（声音在空气中传播速度为340m/s）

主要技术参数
工作电压	DC5V
静态电流	<2mA
输出电平	0-5V
感应角度	≤15度
探测距离	2cm-450cm
最高精度	0.3cm

舵机

在这里推荐9G舵机SG90，或者其他类似的舵机，这种舵机体积比较小，扭矩虽然不是大，但是足够带动简易云台，很方便在小车上使用，大家购买时注意舵机的转动角度，有55度的，180度的等等，大家可以根据需要购买。

舵机固定架

舵机固定架的购买一定要配合舵机，所以大家购买的时候注意尺寸哦！！~

舵机安装

舵机在安装之前大家一定要记得校准，为什么要校准那，这个跟舵机的工作原理有关。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：
Arduino智能小车系列教程4——超声波避障

高电平时间	对应位置
0.5ms	0度
1.0ms	45度
1.5ms	90度
2.0ms	135度
2.5ms	180度

也就是说当对舵机输入相同控制信号时，舵机会运动到固定位置，他的动作不是做圆周运动，而是在运动范围内，每一个位置对应一个控制信号。因此我们需要在将舵机安装在固定架上之前，需要先将舵机初始化好，舵机一般为三根线：棕色——GND，红色——VCC，橙色——控制信号。因此我们将棕色线接到GND，红色线接到“+5V”引脚，橙色线接到“9”引脚，初始化程序如下：

#include <Servo.h>  //加入含有舵机控制库的头文件

#define PIN_SERVO 9  //舵机信号控制引脚
Servo myservo;  

void setup()  
{  
  myservo.attach(PIN_SERVO);  //舵机初始化
}  

void loop()  
{  
  myservo.write(90);  //PWM输出
}

在舵机初始化好之后将其安装在固定架上，然后装配在小车上，此时保证超声波模块超前。

超声波接线

估计不少朋友早已经发现板子上的“+5V”和“GND”引脚已经不够用了，这个时候你们可以向我这样焊一个扩展板出来，上面固定两排排针，一排用来扩展“+5V”，一边用来扩展“GND”引脚。

超声波模块有四个引脚，“VCC”接到Arduino UNO开发板的“+5V”引脚，“GND”接到开发板“GND”引脚，“Trig”引脚接到开发板“8”引脚，“Echo”引脚接到开发板“7”引脚。

Arduino智能小车系列教程4——超声波避障

线太乱了，真的没办法整理，我自己都没眼看。

代码测试

#include <Servo.h>

#define STOP      0
#define FORWARD   1
#define BACKWARD  2
#define TURNLEFT  3
#define TURNRIGHT 4

int leftMotor1 = 16;
int leftMotor2 = 17;
int rightMotor1 = 18;
int rightMotor2 = 19;

int leftPWM = 5;
int rightPWM = 6;

Servo myServo;  //舵机

int inputPin=7;   // 定义超声波信号接收接口
int outputPin=8;  // 定义超声波信号发出接口

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  //串口初始化
  Serial.begin(9600); 
  //舵机引脚初始化
  myServo.attach(9);
  //测速引脚初始化
  pinMode(leftMotor1, OUTPUT);
  pinMode(leftMotor2, OUTPUT);
  pinMode(rightMotor1, OUTPUT);
  pinMode(rightMotor2, OUTPUT);
  pinMode(leftPWM, OUTPUT);
  pinMode(rightPWM, OUTPUT);
  //超声波控制引脚初始化
  pinMode(inputPin, INPUT);
  pinMode(outputPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  avoidance();
}
void motorRun(int cmd,int value)
{
  analogWrite(leftPWM, value);  //设置PWM输出，即设置速度
  analogWrite(rightPWM, value);
  switch(cmd){
    case FORWARD:
      Serial.println("FORWARD"); //输出状态
      digitalWrite(leftMotor1, HIGH);
      digitalWrite(leftMotor2, LOW);
      digitalWrite(rightMotor1, HIGH);
      digitalWrite(rightMotor2, LOW);
      break;
     case BACKWARD:
      Serial.println("BACKWARD"); //输出状态
      digitalWrite(leftMotor1, LOW);
      digitalWrite(leftMotor2, HIGH);
      digitalWrite(rightMotor1, LOW);
      digitalWrite(rightMotor2, HIGH);
      break;
     case TURNLEFT:
      Serial.println("TURN  LEFT"); //输出状态
      digitalWrite(leftMotor1, HIGH);
      digitalWrite(leftMotor2, LOW);
      digitalWrite(rightMotor1, LOW);
      digitalWrite(rightMotor2, HIGH);
      break;
     case TURNRIGHT:
      Serial.println("TURN  RIGHT"); //输出状态
      digitalWrite(leftMotor1, LOW);
      digitalWrite(leftMotor2, HIGH);
      digitalWrite(rightMotor1, HIGH);
      digitalWrite(rightMotor2, LOW);
      break;
     default:
      Serial.println("STOP"); //输出状态
      digitalWrite(leftMotor1, LOW);
      digitalWrite(leftMotor2, LOW);
      digitalWrite(rightMotor1, LOW);
      digitalWrite(rightMotor2, LOW);
  }
}
void avoidance()
{
  int pos;
  int dis[3];//距离
  motorRun(FORWARD,200);
  myServo.write(90);
  dis[1]=getDistance(); //中间

  if(dis[1]<30)
  {
    motorRun(STOP,0);
    for (pos = 90; pos <= 150; pos += 1) 
    {
      myServo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos'
      delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position
    }
    dis[2]=getDistance(); //左边
    for (pos = 150; pos >= 30; pos -= 1) 
    {
      myServo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos'
      delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position
      if(pos==90)
        dis[1]=getDistance(); //中间
    }
    dis[0]=getDistance();  //右边
    for (pos = 30; pos <= 90; pos += 1) 
    {
      myServo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos'
      delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position
    }
    if(dis[0]<dis[2]) //右边距离障碍的距离比左边近
    {
      //左转
      motorRun(TURNLEFT,250);
      delay(500);
    }
    else  //右边距离障碍的距离比左边远
    {
      //右转
      motorRun(TURNRIGHT,250);
      delay(500);
    } 
  }
}
int getDistance()
{
  digitalWrite(outputPin, LOW); // 使发出发出超声波信号接口低电平2μs
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(outputPin, HIGH); // 使发出发出超声波信号接口高电平10μs，这里是至少10μs
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(outputPin, LOW); // 保持发出超声波信号接口低电平
  int distance = pulseIn(inputPin, HIGH); // 读出脉冲时间
  distance= distance/58; // 将脉冲时间转化为距离（单位：厘米）
  Serial.println(distance); //输出距离值

  if (distance >=50)
  {
    //如果距离小于50厘米返回数据
    return 50;
  }//如果距离小于50厘米小灯熄灭
  else
    return distance;
}

代码详解

“Trig”引脚控制超声波发出声波，对应int outputPin=8; “Echo”引脚反应接收到返回声波，对应int inputPin=7;

int inputPin=7;   // 定义超声波信号接收接口
int outputPin=8;  // 定义超声波信号发出接口

int getDistance()函数解析

超声波发出引脚“Trig”为高时对外发出超声波，为保证发出10μs声波，因此在发送之前需要将该引脚拉低，并给他一定反应时间。

digitalWrite(outputPin, LOW); // 使发出发出超声波信号接口低电平2μs
delayMicroseconds(2);

之后发送10μs超声波

digitalWrite(outputPin, HIGH); // 使发出发出超声波信号接口高电平10μs，这里是至少10μs

声波发送之后禁止其继续发送，同时开始检测是否反射回来的声波

digitalWrite(outputPin, LOW); // 保持发出超声波信号接口低电平
  int distance = pulseIn(inputPin, HIGH); // 读出脉冲时间

pulseIn()单位为微秒，声速344m/s，所以距离cm=344_100/1000000_pulseIn()/2约等于pulseIn()/58.0distance= distance/58; // 将脉冲时间转化为距离（单位：厘米） 超声波模块工作受物体表面反射程度影响，并且在传播过程中信号强度容易衰减，因此该模块适用的检测距离有限，一般在50cm以内相对正确，而且我们在避障时不需要检测太远的距离，因此超过50cm以上的都按50cm计算

if (distance >=50)
  {
    //如果距离小于50厘米返回数据
    return 50;
  }//如果距离小于50厘米小灯熄灭
  else
    return distance;

void avoidance()函数解析

小车前进过程中只检测前方距离障碍的距离，并且控制舵机，保持超声波模块位于正前方。

motorRun(FORWARD,200);
  myServo.write(90);
  dis[1]=getDistance(); //中间

当检测到小车前方距离障碍距离小于30cm时停车，检测两边距离。

motorRun(STOP,0);

控制舵机每次运动一个周期后都返回正前方位置。由于舵机运动需要一定的时间，因此在每转过一个角度的时候都延时delay(15)，供其运动。

for (pos = 90; pos <= 150; pos += 1) 
{
      myServo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos'
      delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position
}

当运动到最左边时检测小车左边距离障碍的距离

dis[2]=getDistance(); //左边

向右边运动，检测右边距离

for (pos = 150; pos >= 30; pos -= 1) 
{
  myServo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos'
  delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position
  if(pos==90)
    dis[1]=getDistance(); //中间
}
dis[0]=getDistance();  //右边

将前边、左边、右边距离障碍的距离都检测结束之后，舵机回到最初位置。

for (pos = 30; pos <= 90; pos += 1) 
{
  myServo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos'
  delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position
}

注意事项

1.舵机使用时要防止其堵转，因为点击堵转时电流会增大，很容易烧坏舵机。 2.舵机的红色电源线接入电压一般要大于等于其工作电压，供电不足会导致舵机不停自传。 3.Arduino 《Servo.h》库里提供的write()函数输出的PWM即为舵机专用的20ms为周期的PWM波，如果使用其他开发板或者函数的话，请务必保证输出方波周期为20ms，否则舵机不会受控制