舵机驱动避障机器人：基于 Arduino 与 HC-SR04 构建

项目概述

本项目详细介绍如何使用 Arduino UNO、SG90 微型舵机、HC-SR04 超声波传感器、2WD 机器人底盘套件及 Arduino Motor Shield Rev3 构建一款自主避障机器人。机器人通过舵机旋转超声波传感器扫描周围环境，实时测量障碍物距离，并根据预设阈值自动调整行驶路径，实现智能避障功能。

所需组件与物料

• Arduino UNO × 1
• SG90 微型舵机 × 1
• HC-SR04 超声波传感器 × 1
• 2WD 机器人底盘套件（含底盘、两个直流电机、车轮、万向轮、电池盒、开关、螺丝）× 1
• 杜邦线（公对公、公对母、母对母）若干
• Arduino Motor Shield Rev3 × 1

所需工具

• 电烙铁及焊锡

软件与在线服务

• Arduino IDE
• AFMotor 库（电机驱动库）
• NewPing 库（超声波传感器库）

制作步骤

步骤 1：组装机器人底盘

按照底盘套件说明书组装底盘，安装两个直流电机、车轮、万向轮、电池盒和开关。确保机械结构稳固，轮子转动顺畅。

步骤 2：测试核心组件

在焊接前，分别测试 Arduino UNO、Motor Shield、两个直流电机、SG90 舵机和 HC-SR04 超声波传感器，确保所有元件工作正常。然后为两个直流电机焊接红黑导线（红接正极，黑接负极）。

步骤 3：制作电池开关电路

剪断电池盒黑色导线中段，分别焊接到拨动开关的两个引脚上，红色导线直接引出。这样即可通过开关控制整车供电。

步骤 4：堆叠 Arduino 与 Motor Shield

将 Motor Shield 直接插在 Arduino UNO 顶部，引脚对齐后按下固定。注意不要弯曲引脚。

步骤 5：连接电机至 Motor Shield

Motor Shield 的 M1 接口接左电机，M3 接口接右电机。如果电机原装导线过短，需使用杜邦线延长：剥去杜邦线一端绝缘层露出铜芯，与电机导线焊接并绝缘处理。

步骤 6：连接电池开关至 Motor Shield

将电池盒红色导线接到 Motor Shield 的 "VIN" 接口，黑色导线（经开关后）接到 "GND" 接口。建议使用 7.4V~12V 电池组（如 2 节 18650 锂电池串联）。

步骤 7：准备传感器与舵机连接线

准备 4 组同色公母杜邦线（各剪半），分别对应：白色→5V、黑色→GND、棕色→A4 (Echo)、橙色→A5 (Trig)。公头焊接到 Motor Shield 对应引脚，母头用于连接超声波模块。舵机信号线接 Motor Shield 的 "Servo_2" 接口（对应 Arduino D10）。

步骤 8：安装超声波传感器与舵机

将超声波传感器固定在舵机摇臂上（可用热熔胶或双面胶），舵机本体固定在底盘前部。连接线序：VCC→白色母头、GND→黑色母头、Echo→棕色母头、Trig→橙色母头。

步骤 9：固定电路板

使用双面胶或热熔胶将 Arduino+Motor Shield 堆叠板固定在底盘上，理顺所有线材，避免干扰轮子转动。

核心代码逻辑

程序使用三个库：AFMotor.h 控制直流电机，Servo.h 控制舵机，NewPing.h 驱动超声波测距。核心流程如下：

1. 初始化：舵机归中 (90°)，电机停止，延时 2 秒稳定。
2. 路径扫描：舵机从 144° 以 18° 步长扫描至 36°，每步调用 readPing() 获取距离。
3. 避障决策：
   • 若距离 < COLL_DIST (20cm)：后退 500ms 停止，调用 setCourse() 根据最大距离角度决定左转或右转。
   • 若距离 < TURN_DIST (30cm)：调用 changePath() 微调方向。
   • 记录左、前、右三个方向最大距离及对应角度。
4. 运动控制：moveForward() 渐进加速至 MAX_SPEED (150)；turnLeft()/turnRight() 差速转向 400ms 后恢复前进。

关键参数定义

接线原理图

原理图展示了 Arduino UNO、Motor Shield、两路直流电机、舵机、超声波传感器、电池盒与开关的完整连接关系。重点注意：Motor Shield 通过 ICSP 接口从 Arduino 取电，电机独立由外部电池供电，舵机由 Motor Shield 板载稳压器供电。

调试与优化建议

• 若机器人转向不灵敏，可调大 MAX_SPEED 或减小转向延时。
• 超声波测距受环境温度影响，可在 readPing() 中加入温度补偿公式。
• 舵机扫描角度范围可根据实际安装位置微调（如 30°~150°）。
• 建议在底盘前端加装防撞条，保护超声波模块。

项目总结

本项目完整演示了从机械组装、电路焊接、代码编写到调试运行的全过程，适合 Arduino 入门者理解传感器融合、电机驱动、状态机编程等核心概念。通过扩展可加入蓝牙遥控、路径规划、SLAM 建图等进阶功能。