10、DAO封装及BaseDAO工具栏
2025/12/17 10:40:03
在基于 Arduino 的无刷直流电机（BLDC）驱动智能小车系统中，实现避障与路径规划是提升其自主导航能力的关键环节。虽然 Arduino 平台计算资源有限，但通过合理的软硬件协同设计，仍可构建一套轻量、高效、实用的避障路径规划系统。
一、主要特点
. 轻量化算法适配嵌入式平台
Arduino（如 Uno、Nano、Mega 或搭配 ESP32/STM32 协处理器）资源受限（RAM 小、无操作系统），因此避障路径规划通常采用规则型或启发式策略，而非复杂 SLAM 或 A* 算法。
常见方法包括：
超声波/红外传感器阈值判断 + 行为决策（如“左转优先”、“右转试探”）
有限状态机（FSM）控制逻辑（如“前进 → 检测障碍 → 后退 → 转向 → 继续”）
简易栅格地图+回溯机制（仅在 Mega 或带外部存储时可行）
. BLDC 驱动带来的动态响应优势
相较于传统有刷电机，BLDC 具有高效率、高转速、低噪声、长寿命等优点，配合电子调速器（ESC）可实现快速启停与精确速度调节，有利于执行避障所需的急停、转向、倒车等动作。
通过 PWM 信号控制 ESC，Arduino 可实时调整左右轮 BLDC 电机的速度差，实现差速转向，提升路径调整灵活性。
. 多传感器融合感知环境
典型配置包括：
超声波模块（HC-SR04）：测距范围 2–400 cm，成本低，适用于前方障碍检测
红外避障传感器：响应快，适合近距离边缘检测
ToF 激光测距（如 VL53L0X）：精度高，抗干扰强，适用于复杂光照环境
多角度布置传感器（前、左前、右前）可构建局部环境轮廓，支持更智能的转向决策。
. 实时性与确定性控制
Arduino 基于裸机编程（无任务调度开销），控制循环周期稳定（通常 10–100 ms），适合对实时避障响应要求较高的场景。
结合中断或定时器，可确保传感器采样与电机控制同步，避免因延迟导致碰撞。
二、典型应用场景
. 教育与科研原型验证
在高校机器人课程、创客竞赛（如全国大学生智能车竞赛）中，Arduino + BLDC 小车常作为低成本自主移动平台，用于演示避障、循迹、简单路径规划等基础算法。
. 仓储物流 AGV 原型开发
虽然工业 AGV 多采用 ROS + 激光雷达，但在小型仓库或实验室环境中，基于 Arduino 的 BLDC 小车可用于验证点对点搬运、动态避障等核心逻辑，降低初期研发成本。
. 家庭服务机器人雏形
如自动扫地机器人、宠物跟随车等，需在非结构化家庭环境中避开桌腿、椅子、宠物等障碍物。Arduino 系统可满足其低速、短距、局部避障需求。
. 农业巡检或温室小车
在温室或苗圃中，小车需沿预设路径行进并避开植物、水管等障碍。BLDC 电机耐潮湿、寿命长，配合简单避障逻辑即可实现可靠运行。
三、需要注意的事项
. 避免“振荡”或“卡死”行为
若仅依赖单一传感器且转向策略固定（如总是右转），小车可能在角落反复碰撞或陷入循环。
建议：引入随机性（如随机选择左/右）、记忆最近转向方向、或增加后退+旋转动作打破僵局。
. BLDC 电机启动与低速控制难题
BLDC 电机在低速时反电动势（BEMF）弱，部分 ESC 无法稳定换相，导致启动抖动或失速。
对策：
选用支持闭环霍尔反馈的 BLDC 电机 + 驱动器
或使用带软启动功能的 ESC（如 SimonK、BLHeli 固件）
避障动作中避免频繁启停，可采用“减速→转向→加速”平滑过渡
. 电源管理与电磁干扰
BLDC 驱动电流大（尤其启动瞬间），易造成 Arduino 电压跌落或复位。
必须：
使用独立电源为电机与控制器供电（共地即可）
添加滤波电容（如 1000μF 电解电容 + 0.1μF 陶瓷电容）
信号线远离电机动力线，必要时加磁环或屏蔽
. 传感器盲区与误判
超声波对吸音材料（如布料、泡沫）反射弱；红外受强光干扰。
建议：
多传感器冗余（如超声波 + 红外）
软件滤波（移动平均、中值滤波）
设置合理检测阈值（如 <20 cm 视为障碍）
. 路径规划能力的物理限制
Arduino 无法实现全局最优路径规划（如 Dijkstra、RRT*）。若需复杂导航，应考虑：
升级至 ESP32（双核、Wi-Fi、更大内存）
或采用“上位机规划 + Arduino 执行”架构（如 PC 运行 ROS，Arduino 作为底层控制器）
1、基于超声波传感器的简单避障
constinttrigPin=9;constintechoPin=10;constintmotorDirPin1=5;constintmotorDirPin2=6;constintenablePinLeft=3;constintenablePinRight=4;voidsetup(){pinMode(trigPin,OUTPUT);pinMode(echoPin,INPUT);pinMode(motorDirPin1,OUTPUT);pinMode(motorDirPin2,OUTPUT);pinMode(enablePinLeft,OUTPUT);pinMode(enablePinRight,OUTPUT);Serial.begin(9600);}voidloop(){longduration,distance;digitalWrite(trigPin,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(trigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(trigPin,LOW);duration=pulseIn(echoPin,HIGH);distance=(duration/2)/29.1;if(distance<10){// 如果距离小于10厘米则停止并转向stopMotors();turnRight();}else{moveForward();}delay(50);}voidmoveForward(){digitalWrite(motorDirPin1,HIGH);digitalWrite(motorDirPin2,HIGH);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);}voidstopMotors(){analogWrite(enablePinLeft,0);analogWrite(enablePinRight,0);}voidturnRight(){digitalWrite(motorDirPin1,HIGH);digitalWrite(motorDirPin2,LOW);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);delay(500);stopMotors();}要点解读：
使用超声波传感器（HC-SR04）检测前方障碍物的距离。
根据测得的距离决定是否停车并转向。
moveForward函数使小车前进，stopMotors函数停止电机，turnRight函数让小车右转。
2、基于红外传感器的沿墙行驶
constintirSensorLeft=A0;constintirSensorMid=A1;constintirSensorRight=A2;constintmotorDirPin1=5;constintmotorDirPin2=6;constintenablePinLeft=3;constintenablePinRight=4;voidsetup(){pinMode(motorDirPin1,OUTPUT);pinMode(motorDirPin2,OUTPUT);pinMode(enablePinLeft,OUTPUT);pinMode(enablePinRight,OUTPUT);}voidloop(){intleftValue=analogRead(irSensorLeft);intmidValue=analogRead(irSensorMid);intrightValue=analogRead(irSensorRight);if(midValue>500){// 中间传感器检测到障碍物moveForward();}elseif(leftValue>500&&rightValue<=500){// 左侧无障碍物而右侧有障碍物turnLeft();}elseif(rightValue>500&&leftValue<=500){// 右侧无障碍物而左侧有障碍物turnRight();}else{stopMotors();}delay(50);}voidmoveForward(){digitalWrite(motorDirPin1,HIGH);digitalWrite(motorDirPin2,HIGH);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);}voidstopMotors(){analogWrite(enablePinLeft,0);analogWrite(enablePinRight,0);}voidturnLeft(){digitalWrite(motorDirPin1,LOW);digitalWrite(motorDirPin2,HIGH);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);delay(200);stopMotors();}voidturnRight(){digitalWrite(motorDirPin1,HIGH);digitalWrite(motorDirPin2,LOW);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);delay(200);stopMotors();}要点解读：
使用三个红外传感器分别检测左侧、中间和右侧的障碍物。
根据不同传感器的值调整小车的行驶方向，使其沿墙行驶。
moveForward, stopMotors, turnLeft, 和 turnRight函数用于控制小车的运动状态。
3、基于多个超声波传感器的复杂环境避障
constinttrigPinFront=9;constintechoPinFront=10;constinttrigPinLeft=11;constintechoPinLeft=12;constinttrigPinRight=13;constintechoPinRight=14;constintmotorDirPin1=5;constintmotorDirPin2=6;constintenablePinLeft=3;constintenablePinRight=4;voidsetup(){pinMode(trigPinFront,OUTPUT);pinMode(echoPinFront,INPUT);pinMode(trigPinLeft,OUTPUT);pinMode(echoPinLeft,INPUT);pinMode(trigPinRight,OUTPUT);pinMode(echoPinRight,INPUT);pinMode(motorDirPin1,OUTPUT);pinMode(motorDirPin2,OUTPUT);pinMode(enablePinLeft,OUTPUT);pinMode(enablePinRight,OUTPUT);Serial.begin(9600);}voidloop(){longduration,distanceFront,distanceLeft,distanceRight;distanceFront=getDistance(trigPinFront,echoPinFront);distanceLeft=getDistance(trigPinLeft,echoPinLeft);distanceRight=getDistance(trigPinRight,echoPinRight);if(distanceFront<20){if(distanceLeft>distanceRight){turnLeft();}else{turnRight();}}else{moveForward();}delay(50);}longgetDistance(inttrigPin,intechoPin){digitalWrite(trigPin,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(trigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(trigPin,LOW);return(pulseIn(echoPin,HIGH)/2)/29.1;}voidmoveForward(){digitalWrite(motorDirPin1,HIGH);digitalWrite(motorDirPin2,HIGH);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);}voidstopMotors(){analogWrite(enablePinLeft,0);analogWrite(enablePinRight,0);}voidturnLeft(){digitalWrite(motorDirPin1,LOW);digitalWrite(motorDirPin2,HIGH);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);delay(500);stopMotors();}voidturnRight(){digitalWrite(motorDirPin1,HIGH);digitalWrite(motorDirPin2,LOW);analogWrite(enablePinLeft,128);analogWrite(enablePinRight,128);delay(500);stopMotors();}要点解读：
使用三个超声波传感器分别检测前方、左侧和右侧的距离。
根据前方和其他两侧的距离判断是否需要转向以避开障碍物。
getDistance函数用于获取特定传感器的距离值。
moveForward, stopMotors, turnLeft, 和 turnRight函数用于控制小车的运动状态。
4、超声波避障小车（基础版）
#include<NewPing.h>#include<SimpleFOC.h>// 电机驱动配置BLDCMotor motorL=BLDCMotor(7);// 左电机BLDCMotor motorR=BLDCMotor(7);// 右电机BLDCDriver3PWM driverL=BLDCDriver3PWM(3,5,6,11);BLDCDriver3PWM driverR=BLDCDriver3PWM(9,10,12,11);// 超声波传感器#defineTRIG_PINA0#defineECHO_PINA1#defineMAX_DISTANCE200// 最大探测距离(cm)NewPingsonar(TRIG_PIN,ECHO_PIN,MAX_DISTANCE);// 避障参数#defineSAFE_DISTANCE30// 安全距离(cm)#defineTURN_TIME500// 转向时间(ms)voidsetup(){// 初始化电机motorL.linkDriver(&driverL);motorR.linkDriver(&driverR);motorL.init();motorR.init();// 初始化超声波pinMode(TRIG_PIN,OUTPUT);pinMode(ECHO_PIN,INPUT);}voidloop(){intdistance=sonar.ping_cm();// 获取距离if(distance>0&&distance<SAFE_DISTANCE){// 障碍物检测到，执行避障动作stopMotors();delay(100);// 后退一小段距离setMotors(-0.5,-0.5);delay(300);// 随机选择左转或右转if(random(2)==0){setMotors(0.8,-0.8);// 左转}else{setMotors(-0.8,0.8);// 右转}delay(TURN_TIME);}else{// 无障碍物，前进setMotors(0.6,0.6);}}voidsetMotors(floatleftSpeed,floatrightSpeed){motorL.move(leftSpeed);motorR.move(rightSpeed);}voidstopMotors(){motorL.move(0);motorR.move(0);}要点解读：
传感器融合：使用超声波传感器检测前方障碍物，结合BLDC电机实现动态避障。
随机转向策略：通过random()函数实现左右转向的随机选择，避免原地打转。
速度控制：采用FOC控制（SimpleFOC库）实现电机平滑加减速，提升运动稳定性。
局限性：仅检测前方障碍物，缺乏全局路径规划能力。
5、红外巡线与超声波避障结合
#include<NewPing.h>#include<SimpleFOC.h>// 电机配置（同案例1）BLDCMotor motorL=BLDCMotor(7);BLDCMotor motorR=BLDCMotor(7);BLDCDriver3PWM driverL=BLDCDriver3PWM(3,5,6,11);BLDCDriver3PWM driverR=BLDCDriver3PWM(9,10,12,11);// 超声波传感器NewPingsonar(A0,A1,200);// 红外巡线传感器（3路）#defineIR_LEFTA2#defineIR_CENTERA3#defineIR_RIGHTA4// 参数定义#defineLINE_THRESHOLD500// 巡线传感器阈值#defineTURN_SPEED0.7#defineFORWARD_SPEED0.5voidsetup(){// 初始化电机和传感器motorL.init();motorR.init();pinMode(IR_LEFT,INPUT);pinMode(IR_CENTER,INPUT);pinMode(IR_RIGHT,INPUT);}voidloop(){// 读取红外传感器intleftVal=analogRead(IR_LEFT);intcenterVal=analogRead(IR_CENTER);intrightVal=analogRead(IR_RIGHT);// 超声波避障优先级更高if(sonar.ping_cm()<30){avoidObstacle();return;}// 巡线逻辑if(centerVal<LINE_THRESHOLD){// 中心传感器检测到线，直行setMotors(FORWARD_SPEED,FORWARD_SPEED);}elseif(leftVal<LINE_THRESHOLD){// 左侧检测到线，右转调整setMotors(TURN_SPEED,-TURN_SPEED);}elseif(rightVal<LINE_THRESHOLD){// 右侧检测到线，左转调整setMotors(-TURN_SPEED,TURN_SPEED);}else{// 丢失线路，执行搜索searchLine();}}voidavoidObstacle(){stopMotors();delay(100);setMotors(-0.5,-0.5);// 后退delay(300);// 选择障碍物反方向转向setMotors(0.8,-0.8);// 默认左转delay(500);}voidsearchLine(){// 原地旋转寻找线路setMotors(0.6,-0.6);delay(200);}要点解读：
多传感器融合：结合红外巡线（地面路径）和超声波避障（空中障碍物），提升环境适应性。
优先级设计：避障逻辑优先于巡线，确保安全性。
线路恢复策略：当丢失线路时，通过原地旋转重新捕获线路。
扩展性：可增加更多红外传感器实现更复杂的路径跟踪（如十字路口处理）。
6、激光雷达简化SLAM避障（基于RPLIDAR A1）
#include<RPLidar.h>#include<SimpleFOC.h>// 电机配置（同前）BLDCMotor motorL=BLDCMotor(7);BLDCMotor motorR=BLDCMotor(7);BLDCDriver3PWM driverL=BLDCDriver3PWM(3,5,6,11);BLDCDriver3PWM driverR=BLDCDriver3PWM(9,10,12,11);// 激光雷达配置RPLidar lidar;#defineRPLIDAR_MOTOR4// 雷达电机控制引脚// 避障参数#defineMIN_CLEARANCE500// 最小安全距离(mm)#defineSCAN_RESOLUTION5// 扫描分辨率(度)voidsetup(){// 初始化雷达lidar.begin(Serial1);pinMode(RPLIDAR_MOTOR,OUTPUT);digitalWrite(RPLIDAR_MOTOR,HIGH);// 启动雷达电机// 初始化电机motorL.init();motorR.init();}voidloop(){if(IS_OK(lidar.waitPoint())){floatdistance=lidar.getCurrentPoint().distance;floatangle=lidar.getCurrentPoint().angle;// 分析前方180度扇形区域if(angle>270||angle<90){if(distance>0&&distance<MIN_CLEARANCE){// 检测到障碍物，计算避障方向floatturnAngle=findClearPath();executeTurn(turnAngle);return;}}}// 无障碍物，前进setMotors(0.6,0.6);}floatfindClearPath(){// 扫描周围环境，寻找最大空隙intstartAngle=0,endAngle=0;intmaxGap=0;intcurrentGap=0;for(inti=0;i<360;i+=SCAN_RESOLUTION){floatdistance=getDistanceAtAngle(i);if(distance>MIN_CLEARANCE){currentGap+=SCAN_RESOLUTION;if(currentGap>maxGap){maxGap=currentGap;endAngle=i;startAngle=endAngle-maxGap;}}else{currentGap=0;}}// 返回最佳转向方向（取空隙中间值）return(startAngle+endAngle)/2;}voidexecuteTurn(floatangle){stopMotors();delay(100);// 根据角度决定转向方向if(angle<180){// 左转setMotors(0.8,-0.8);}else{// 右转setMotors(-0.8,0.8);}// 转向完成后恢复直行delay(abs(angle-180)*10);// 粗略转向时间估算setMotors(0,0);delay(200);}要点解读：
激光雷达应用：使用RPLIDAR实现360°环境扫描，支持复杂障碍物检测。
动态路径规划：通过扫描寻找最大空隙（findClearPath()），实现智能避障。
转向控制：根据障碍物位置动态调整转向角度和方向。
局限性：简化版SLAM，未包含定位功能，适合低速场景。
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。