核心原理：无人机如何“看见”障碍物？

无人机避障的关键在于传感器，传感器负责探测前方、下方或四周是否存在障碍物，并将这个信息传递给 Arduino，Arduino 根据传感器的数据，结合无人机的飞行状态，做出决策：是继续前进、悬停、减速还是转向。

最常用和最适合 DIY 项目的传感器是超声波传感器和红外避障传感器。

• 超声波传感器 (Ultrasonic Sensor - HC-SR04):

  • 原理: 像蝙蝠一样，它发射超声波（人耳听不到的高频声波），然后接收从障碍物反射回来的回波，通过计算发射和接收之间的时间差，可以精确计算出障碍物的距离。
  • 优点: 测量距离较远（可达2-4米），精度高，不受光线影响。
  • 缺点: 存在最小探测盲区（通常几厘米），对柔软、吸音的物体（如棉花、地毯）探测效果不佳，探测角度相对较窄。

• 红外避障传感器 (Infrared Obstacle Avoidance Sensor - TCRT5000):

  • 原理: 发射红外光，通过检测红外光是否被障碍物反射回来来判断有无障碍物，它通常只输出一个数字信号（有障碍物/无障碍物），但有些模块可以模拟输出强度，从而粗略判断距离。
  • 优点: 价格便宜，响应速度快，功耗低，可以探测柔软物体。
  • 缺点: 易受环境光（尤其是强光）干扰，测距精度和范围远不如超声波，主要用于短距离的“有无”探测。

所需硬件清单

除了基础的无人机套件,你还需要额外准备以下组件：

1. 核心控制器:

   • Arduino Uno / Nano: 最常见的选择，适合学习和原型验证，引脚足够，易于上手。
   • Arduino Pro Mini / Mini 3.3V: 如果追求轻量化和低功耗，这是一个更好的选择，但需要额外的USB转TTL模块进行编程。
   • ESP32 / ESP8266: 强烈推荐！它自带 Wi-Fi 和蓝牙，不仅可以作为控制器，还能实现图传、数据上传到云服务器等高级功能。

2. 传感器:

   • 超声波传感器 (HC-SR04): 至少1个，用于前方避障，可以安装多个（如前、下、左、右）实现全方位避障。
   • 红外避障传感器 (TCRT5000): 可以作为超声波的补充，用于近距离或侧方探测。

3. 电机驱动板:

   • Arduino 自带 PWM 引脚输出的能力有限，无法直接驱动无刷电机。 你需要一个专门的电调，常见的如：
     • MultiWii 飞控: 集成了陀螺仪、加速度计和电调接口，是DIY无人机的经典选择。
     • Cleanflight / Betaflight 飞控: 更现代、功能更强大的飞控，同样支持连接 Arduino 作为辅助板。
   • 连接方式: Arduino 不直接驱动电机，而是通过向飞控发送PWM 信号来模拟遥控器的信号，从而控制无人机的油门、方向等。

4. 其他:

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 面包板和杜邦线: 用于原型搭建和测试。
   • 电池: 为无人机和 Arduino 供电。
   • 螺丝、扎带、支架: 用于将传感器和 Arduino 固定在无人机上。

系统架构与连接方式

一个典型的 Arduino 避障系统架构如下：

[遥控器] --> [飞控 (如 Naze32)] --> [无刷电机 & 电调]
       |
       +--> [Arduino] <-- [传感器 (超声波/红外)]
              |
              +--> [飞控] (通过PWM信号)

工作流程:

1. 正常飞行: 飞控接收遥控器的信号，控制无人机飞行。
2. 传感器探测: Arduino 持续读取超声波传感器的距离数据。
3. 避障决策: Arduino 内部的程序判断：如果距离小于设定的安全阈值（50cm），则触发避障逻辑。
4. 信号干预: Arduino 不会直接“切断”遥控信号，而是叠加一个控制信号到飞控上，当检测到前方障碍物时，Arduino 会向飞控发送一个“后退”或“上升”的PWM信号，同时略微降低“前进”的油门，从而实现平稳避障。
5. 恢复: 当障碍物离开探测范围后，Arduino 停止发送干预信号，无人机恢复由遥控器控制。

软件实现与代码示例

我们将使用 Arduino Uno 和 HC-SR04 超声波传感器来实现一个最基本的前方避障功能。

硬件连接

• HC-SR04 VCC -> Arduino 5V
• HC-SR04 GND -> Arduino GND
• HC-SR04 Trig (触发) -> Arduino Pin 9
• HC-SR04 Echo (回波) -> Arduino Pin 10

Arduino 代码示例 (基础版)

这个代码只负责测量距离,并在串口打印出来，这是调试的第一步。

// 定义引脚
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
// 定义变量
long duration;
int distance;
void setup() {
  // 初始化串口通信，波特率设为9600
  Serial.begin(9600); 
  // 设置引脚模式
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // 触发脚为输出
  pinMode(echoPin, INPUT);  // 回波脚为输入
}
void loop() {
  // 1. 发送一个10微秒的高电平脉冲来触发传感器
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  // 2. 读取回波脉冲的持续时间，单位为微秒
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  // 3. 计算距离
  // 声速在空气中约为 340 m/s，即 0.034 cm/微秒。
  // 往返距离需要除以2。
  distance = duration * 0.034 / 2;
  // 4. 通过串口打印距离
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  // 短暂延时，避免过于频繁的读取
  delay(500); 
}

上传代码后，打开 Arduino IDE 的串口监视器 (右上角放大镜图标)，你应该能看到距离数据在不断变化。

集成到无人机控制 (进阶版)

将避障逻辑与飞控结合是真正的难点,你需要了解你所用飞控的辅助通道 功能。

假设你使用 MultiWii 或 Cleanflight 飞控，它有一个 AUX 通道，通常可以映射到不同的飞行模式（如稳定模式、定高模式等），我们可以利用这个通道。

修改后的代码思路：

1. 定义一个安全距离 safeDistance (100cm)。
2. 在 loop() 中持续测量距离。
3. distance < safeDistance，则将一个引脚（Pin 11）设置为 HIGH。
4. 否则,设置为 LOW。
5. 将这个引脚连接到飞控的 AUX 输入通道上。
6. 在飞控的配置软件中,将 AUX 通道映射到一个你想要的功能，比如“解锁电机”或“切换飞行模式”。

示例代码：

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
const int auxPin = 11; // 连接到飞控的AUX通道
const int safeDistance = 100; // 安全距离，单位：厘米
long duration;
int distance;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  pinMode(auxPin, OUTPUT); // AUX引脚设置为输出
  digitalWrite(auxPin, LOW); // 初始状态为LOW
}
void loop() {
  // --- 测量距离部分 (同上) ---
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distance = duration * 0.034 / 2;
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);