【花雕学编程】Arduino BLDC 之自平衡小车结合超声波避障

驴友花雕

于 2025-08-06 09:22:01 发布

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分类专栏：开源硬件文章标签：嵌入式硬件单片机 c++ 自平衡小车结合超声波避障 Arduino BLDC

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《Arduino 手册（思路与案例）》栏目介绍：
在电子制作与智能控制的应用领域，本栏目涵盖了丰富的内容，包括但不限于以下主题：Arduino BLDC、Arduino CNC、Arduino E-Ink、Arduino ESP32 SPP、Arduino FreeRTOS、Arduino FOC、Arduino GRBL、Arduino HTTP、Arduino HUB75、Arduino IoT Cloud、Arduino JSON、Arduino LCD、Arduino OLED、Arduino LVGL、Arduino PID、Arduino TFT，以及Arduino智能家居、智慧交通、月球基地、智慧校园和智慧农业等多个方面与领域。不仅探讨了这些技术的基础知识和应用领域，还提供了众多具体的参考案例，帮助读者更好地理解和运用Arduino平台进行创新项目。目前，本栏目已有近4000篇相关博客，旨在为广大电子爱好者和开发者提供全面的学习资源与实践指导。通过这些丰富的案例和思路，读者可以获取灵感，推动自己的创作与开发进程。
https://blog.youkuaiyun.com/weixin_41659040/category_12422453.html

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Arduino BLDC之自平衡小车结合超声波避障

一、主要特点
自平衡控制：

利用无刷直流电机（BLDC）和陀螺仪、加速度计等传感器，实现小车的自平衡功能。通过闭环控制算法，确保小车在不平坦的地面上稳定运行。
超声波避障：

配备超声波传感器，实时检测前方障碍物的距离，当检测到障碍物时，系统能够自动调整小车的运动轨迹，避免碰撞。
实时反馈与调节：

系统通过传感器实时反馈小车的状态（如倾斜角度、速度等），结合控制算法动态调节电机输出，实现平稳的运动和避障行为。
灵活的运动控制：

小车可以根据环境变化灵活调整运动模式，如前进、后退、转向等，增强其适应能力和操作灵活性。
模块化设计：

设计上支持模块化，方便后续功能扩展，如添加更多传感器或通信模块，实现更加复杂的任务。

二、应用场景
教育与实验：

在教育环境中，自平衡小车作为STEM教育的实践项目，帮助学生理解控制理论和嵌入式系统的基本概念。
机器人竞赛：

在各种机器人竞赛中，自平衡小车因其稳定性和敏捷的避障能力成为热门参赛项目，提高参赛者的实践能力。
家庭智能设备：

作为家庭巡逻机器人，结合自平衡和避障功能，能够在家庭环境中自主移动，进行监控或清扫任务。
物流与仓储：

在仓库或工厂环境中，自平衡小车可用于物品搬运，结合避障功能提高运输效率，降低碰撞风险。
娱乐与玩具：

在玩具市场，自平衡小车结合避障功能可以为儿童提供互动体验，增强玩具的趣味性和教育性。

三、注意事项
传感器精度与响应时间：

选择高精度的陀螺仪和加速度计，确保自平衡控制的稳定性，同时超声波传感器的响应时间也应满足实时避障的需求。
控制算法优化：

采用合适的控制算法（如PID控制）进行自平衡和运动控制，需不断调试以达到最佳效果，避免震动和不稳定。
电源管理：

确保电源稳定，避免电压波动导致的电机性能下降，必要时可以使用电池管理系统（BMS）。
调试与测试：

在开发阶段进行充分的调试和测试，确保自平衡和避障功能在各种环境下均能正常工作。
安全性考虑：

在设计时需考虑到小车的安全性，避免因误操作或传感器故障导致的碰撞或其他安全隐患。

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1、基本自平衡小车控制

#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>

#define LEFT_MOTOR_PIN 9
#define RIGHT_MOTOR_PIN 10
#define POT_PIN A0 // 用于获取倾斜角度的传感器

Servo leftMotor;
Servo rightMotor;

void setup() {
  leftMotor.attach(LEFT_MOTOR_PIN);
  rightMotor.attach(RIGHT_MOTOR_PIN);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int angle = analogRead(POT_PIN); // 读取倾斜角度
  angle = map(angle, 0, 1023, 0, 180); // 映射到0-180的范围

  // 根据倾斜角度调整电机速度
  int motorSpeed = map(angle, 0, 180, 180, 0); // 反向映射
  leftMotor.write(motorSpeed);
  rightMotor.write(motorSpeed);
  
  Serial.print("倾斜角度: ");
  Serial.println(angle);
  delay(50); // 控制更新频率
}

要点解读：

倾斜角度获取：通过模拟输入读取倾斜角度，并将其映射到适合电机控制的范围。
自平衡控制：根据倾斜角度调整电机速度，实现自平衡功能，防止小车倾倒。
串口反馈：输出当前倾斜角度，便于调试和监控小车状态。
简单结构：代码结构清晰，适合初学者理解自平衡原理。
实时控制：通过循环不断更新电机速度，确保小车能够实时响应倾斜变化。

2、超声波避障功能

#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>

#define LEFT_MOTOR_PIN 9
#define RIGHT_MOTOR_PIN 10
#define TRIG_PIN 2
#define ECHO_PIN 3
#define POT_PIN A0

Servo leftMotor;
Servo rightMotor;

void setup() {
  leftMotor.attach(LEFT_MOTOR_PIN);
  rightMotor.attach(RIGHT_MOTOR_PIN);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int angle = analogRead(POT_PIN);
  angle = map(angle, 0, 1023, 0, 180);
  
  int distance = getDistance(); // 获取距离

  if (distance < 20) { // 如果距离小于20cm，停止小车
    leftMotor.write(90); // 停止
    rightMotor.write(90); // 停止
    Serial.println("障碍物检测到，停止小车");
  } else {
    int motorSpeed = map(angle, 0, 180, 180, 0);
    leftMotor.write(motorSpeed);
    rightMotor.write(motorSpeed);
  }

  Serial.print("倾斜角度: ");
  Serial.println(angle);
  delay(50);
}

int getDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
  int distance = duration * 0.034 / 2; // 转换为厘米
  return distance;
}

要点解读：

超声波传感器：使用超声波传感器获取前方障碍物的距离，以实现避障功能。
障碍物检测：当检测到障碍物距离小于20cm时，停止小车运动，保护小车安全。
自平衡与避障结合：结合自平衡控制和避障功能，使得小车在运动中能够保持平衡并避免碰撞。
串口反馈：输出倾斜角度和障碍物检测状态，便于调试和监控。
实时响应：通过循环不断检测距离和调整电机速度，确保小车能够实时响应环境变化。

3、动态避障与转向控制

#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>

#define LEFT_MOTOR_PIN 9
#define RIGHT_MOTOR_PIN 10
#define TRIG_PIN 2
#define ECHO_PIN 3
#define POT_PIN A0

Servo leftMotor;
Servo rightMotor;

void setup() {
  leftMotor.attach(LEFT_MOTOR_PIN);
  rightMotor.attach(RIGHT_MOTOR_PIN);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int angle = analogRead(POT_PIN);
  angle = map(angle, 0, 1023, 0, 180);
  
  int distance = getDistance();

  if (distance < 15) { // 距离小于15cm时，转向
    leftMotor.write(90); // 停止左轮
    rightMotor.write(180); // 向右转
    Serial.println("障碍物检测到，转向右侧");
  } else {
    int motorSpeed = map(angle, 0, 180, 180, 0);
    leftMotor.write(motorSpeed);
    rightMotor.write(motorSpeed);
  }

  Serial.print("倾斜角度: ");
  Serial.println(angle);
  delay(50);
}

int getDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
  int distance = duration * 0.034 / 2;
  return distance;
}

要点解读：

动态转向控制：当检测到障碍物距离小于15cm时，左轮停止，右轮加速，实现向右转的避障策略。
自平衡与避障结合：结合自平衡与避障功能，确保小车在复杂环境中保持稳定并有效避障。
实时反馈：通过串口输出当前倾斜角度，便于调试和监控小车状态。
灵活的避障策略：根据距离判断动态调整小车的运动方向，增强小车的灵活性。
简洁有效的结构：代码结构清晰，逻辑简单易懂，便于后续扩展和修改。

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4、基础自平衡+超声波避障（PID控制）

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>
#include <NewPing.h>
 
// MPU6050配置
MPU6050 mpu;
float angle, targetAngle = 0; // 目标角度（垂直时为0度）
 
// 电机驱动（BLDC通过ESC控制）
#define ESC_PIN 5
int pwmOutput = 0;
 
// 超声波传感器（HC-SR04）
#define TRIG_PIN 9
#define ECHO_PIN 10
#define MAX_DISTANCE 200 // 最大检测距离（cm）
NewPing sonar(TRIG_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);
 
// PID参数
float Kp = 40, Ki = 0.5, Kd = 0.8;
float error, lastError = 0, integral = 0;
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  mpu.initialize();
  
  // 初始化ESC
  pinMode(ESC_PIN, OUTPUT);
  analogWrite(ESC_PIN, 0);
  delay(1000);
  analogWrite(ESC_PIN, 127); // 中立点
  delay(2000);
  
  Serial.println("Balance Car with Obstacle Avoidance Ready.");
}
 
void loop() {
  // 1. 读取MPU6050数据
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
  angle = atan2(ay, az) * 180 / PI; // 计算俯仰角
  
  // 2. 超声波避障（检测到障碍物<30cm时停车）
  int distance = sonar.ping_cm();
  if (distance > 0 && distance < 30) {
    Serial.println("Obstacle Detected! Stopping...");
    analogWrite(ESC_PIN, 127); // 停止电机
    delay(1000);
    return; // 跳过平衡控制
  }
  
  // 3. PID计算
  error = targetAngle - angle;
  integral += error;
  float derivative = error - lastError;
  lastError = error;
  
  pwmOutput = 127 + (Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative);
  pwmOutput = constrain(pwmOutput, 80, 170); // 限制PWM范围（避免ESC过载）
  
  // 4. 驱动电机
  analogWrite(ESC_PIN, pwmOutput);
  
  // 5. 串口反馈（每100ms）
  static unsigned long lastFeedback = 0;
  if (millis() - lastFeedback > 100) {
    lastFeedback = millis();
    Serial.print("Angle: "); Serial.print(angle);
    Serial.print(" | PWM: "); Serial.print(pwmOutput);
    Serial.print(" | Distance: "); Serial.println(distance);
  }
}

要点解读：

MPU6050初始化：需校准原始数据（如偏移量），实际使用时建议使用DMP库提高精度。
ESC驱动：BLDC电机需通过PWM信号控制，中立点通常为127（8位PWM）。
避障逻辑：超声波检测到障碍物时直接停止电机，优先级高于平衡控制。
PID调参：Kp决定响应速度，Ki消除稳态误差，Kd抑制振荡，需通过串口调试调整。

5、动态避障+平衡控制（模糊PID）

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>
#include <NewPing.h>
 
// MPU6050和电机驱动（同案例1）
MPU6050 mpu;
#define LEFT_MOTOR_PIN 5
#define RIGHT_MOTOR_PIN 6
float angle, targetAngle = 0;
 
// 超声波传感器（左右各一个）
NewPing leftSonar(9, 10, 200);
NewPing rightSonar(11, 12, 200);
 
// 模糊PID参数
float Kp = 35, Ki = 0.3, Kd = 0.7;
float error, pwmOutput;
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  mpu.initialize();
  
  // 初始化电机
  pinMode(LEFT_MOTOR_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RIGHT_MOTOR_PIN, OUTPUT);
  analogWrite(LEFT_MOTOR_PIN, 127);
  analogWrite(RIGHT_MOTOR_PIN, 127);
  delay(2000);
}
 
void loop() {
  // 1. 读取姿态角
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
  angle = atan2(ay, az) * 180 / PI;
  
  // 2. 超声波避障（动态转向）
  int leftDist = leftSonar.ping_cm();
  int rightDist = rightSonar.ping_cm();
  
  if (leftDist > 0 && leftDist < 30) {
    // 左转避障
    analogWrite(LEFT_MOTOR_PIN, 110); // 左轮减速
    analogWrite(RIGHT_MOTOR_PIN, 140); // 右轮加速
    Serial.println("Turning Left!");
    delay(300); // 短暂转向
  } else if (rightDist > 0 && rightDist < 30) {
    // 右转避障
    analogWrite(LEFT_MOTOR_PIN, 140);
    analogWrite(RIGHT_MOTOR_PIN, 110);
    Serial.println("Turning Right!");
    delay(300);
  } else {
    // 3. 平衡PID控制（无障碍时）
    error = targetAngle - angle;
    static float integral = 0, lastError = 0;
    integral += error;
    float derivative = error - lastError;
    lastError = error;
    
    pwmOutput = 127 + (Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative);
    pwmOutput = constrain(pwmOutput, 90, 160);
    
    analogWrite(LEFT_MOTOR_PIN, pwmOutput);
    analogWrite(RIGHT_MOTOR_PIN, pwmOutput);
  }
  
  // 4. 串口调试
  static unsigned long lastFeedback = 0;
  if (millis() - lastFeedback > 100) {
    lastFeedback = millis();
    Serial.print("Angle: "); Serial.print(angle);
    Serial.print(" | Left: "); Serial.print(leftDist);
    Serial.print(" | Right: "); Serial.println(rightDist);
  }
}

要点解读：

差速转向：通过左右电机速度差实现转向，避免使用舵机简化机械结构。
模糊逻辑：根据障碍物距离动态调整转向幅度（如delay(300)可改为比例控制）。
双超声波配置：左右各一个传感器，实现双向避障。
平衡优先级：仅在无障碍时执行PID平衡控制，避免冲突。

6、串口远程控制+避障（蓝牙/WiFi扩展）

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>
#include <NewPing.h>
#include <SoftwareSerial.h> // 用于蓝牙/WiFi模块
 
// 硬件配置
MPU6050 mpu;
#define MOTOR_PIN 5
SoftwareSerial bluetooth(7, 8); // RX, TX
NewPing sonar(9, 10, 200);
 
// 状态变量
float angle, targetAngle = 0;
int motorSpeed = 127; // 中立速度
bool avoidObstacle = false;
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  bluetooth.begin(9600);
  Wire.begin();
  mpu.initialize();
  
  pinMode(MOTOR_PIN, OUTPUT);
  analogWrite(MOTOR_PIN, motorSpeed);
  delay(2000);
}
 
void loop() {
  // 1. 读取姿态角
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
  angle = atan2(ay, az) * 180 / PI;
  
  // 2. 串口指令处理（蓝牙或USB）
  if (Serial.available() || bluetooth.available()) {
    char cmd = Serial.available() ? Serial.read() : bluetooth.read();
    switch (cmd) {
      case 'F': targetAngle = -2; break; // 前进（轻微前倾）
      case 'B': targetAngle = 2; break;  // 后退（轻微后倾）
      case 'S': targetAngle = 0; break;  // 停止
      case 'A': avoidObstacle = !avoidObstacle; break; // 切换避障模式
    }
    Serial.print("Command: "); Serial.println(cmd);
  }
  
  // 3. 避障逻辑（如果启用）
  if (avoidObstacle) {
    int distance = sonar.ping_cm();
    if (distance > 0 && distance < 25) {
      motorSpeed = 127; // 紧急停止
      Serial.println("Obstacle! Stopping.");
    } else {
      // 基础PID控制（简化版）
      float error = targetAngle - angle;
      motorSpeed = 127 + error * 30; // 比例控制
      motorSpeed = constrain(motorSpeed, 80, 170);
    }
  } else {
    // 仅执行远程指令
    float error = targetAngle - angle;
    motorSpeed = 127 + error * 30;
    motorSpeed = constrain(motorSpeed, 80, 170);
  }
  
  analogWrite(MOTOR_PIN, motorSpeed);
  
  // 4. 状态反馈
  static unsigned long lastFeedback = 0;
  if (millis() - lastFeedback > 100) {
    lastFeedback = millis();
    Serial.print("Angle: "); Serial.print(angle);
    Serial.print(" | Speed: "); Serial.print(motorSpeed);
    Serial.print(" | Obstacle: "); Serial.println(sonar.ping_cm());
  }
}

要点解读：

多串口支持：通过SoftwareSerial扩展蓝牙/WiFi模块（如HC-05或ESP8266）。
远程指令：字符指令（F/B/S）控制运动方向，A切换避障模式。
模式切换：避障和远程控制可动态切换，增强灵活性。
安全限制：PWM范围限制在80-170，防止电机过载。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。

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