arduino 机器人程序

99ANYc3cd6 机器人 2025-12-04 7

第一部分：核心概念 - 机器人程序的“大脑”和“神经”

一个典型的 Arduino 机器人程序，无论多复杂，都围绕着几个核心概念构建：

（图片来源网络，侵删）

传感器输入：机器人的“感官”，它们收集关于外部世界的信息。
- 示例：超声波传感器（测距）、红外线传感器（巡线、避障）、红外接收器（遥控）、IMU（姿态传感器，如MPU6050）。
逻辑处理：机器人的“大脑”，这是 Arduino 的核心，它根据传感器输入，按照预设的规则做出决策。
- 示例：if-else 语句（如果前面有障碍物，就转弯）、switch-case（根据遥控器不同按键执行不同动作）、状态机（管理机器人复杂的行为模式）。
执行器输出：机器人的“肌肉和骨骼”，它们根据大脑的指令来行动。
- 示例：直流电机（驱动轮子）、舵机（控制机械臂、云台）、LED（指示灯）、蜂鸣器（发声）。
控制算法：连接“感官”和“肌肉”的“高级神经”，这是让机器人“智能”起来的关键。
（图片来源网络，侵删）
- 示例：
  - 开环控制：直接发送指令，不关心结果。motor.setSpeed(200); 电机就以固定速度转。
  - 闭环控制：持续反馈，不断调整，这是机器人控制的核心。
    - PID 控制器：用于精确控制，如保持机器人直线行走、平衡车、机械臂精确定位。
    - 循线算法：如 P (比例) 控制器，根据传感器偏离中心线的程度来调整左右轮速。

第二部分：基础示例 - 从“点亮”到“行走”

让我们从一个最简单的避障小车开始,这是机器人的“Hello, World!”。

项目：超声波避障小车

硬件需求：

Arduino Uno (或任何 Arduino 板)
L298N 电机驱动板
2 个直流电机 + 轮子
1 个超声波传感器 (HC-SR04)
轮子底盘、电池盒、螺丝等结构件

接线简图：

超声波传感器：
- VCC -> 5V
- GND -> GND
- Trig -> Pin 9
- Echo -> Pin 10
L298N 电机驱动：
- IN1, IN2, IN3, IN4 -> Arduino 数字引脚 (5, 6, 7, 8)
- ENA, ENB -> Arduino PWM 引脚 (9, 10) （注意：如果超声波也用这两个引脚，需要更换）
- +12V, GND -> 电池电源
- +5V -> Arduino 5V (如果需要为 Arduino 供电)

核心代码

// 定义引脚
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
const int motorA1 = 5;  // 左电机控制引脚1
const int motorA2 = 6;  // 左电机控制引脚2 (PWM)
const int motorB1 = 7;  // 右电机控制引脚1
const int motorB2 = 8;  // 右电机控制引脚2 (PWM)
// 定义变量
long duration;
int distance;
void setup() {
  // 初始化串口通信，用于调试
  Serial.begin(9600); 
  // 设置引脚模式
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // 触发信号为输出
  pinMode(echoPin, INPUT);  // 回波信号为输入
  // 电机控制引脚为输出
  pinMode(motorA1, OUTPUT);
  pinMode(motorA2, OUTPUT);
  pinMode(motorB1, OUTPUT);
  pinMode(motorB2, OUTPUT);
  Serial.println("避障小车已启动!");
}
void loop() {
  // 1. 读取距离
  distance = getDistance();
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.println(distance);
  // 2. 逻辑判断与决策
  if (distance > 20) {
    // 距离大于20cm，前方无障碍，直行
    moveForward();
  } else {
    // 距离小于等于20cm，前方有障碍，停止并后退，然后转向
    stopMotors();
    delay(500);
    moveBackward();
    delay(1000);
    stopMotors();
    delay(500);
    turnRight(); // 或者 turnLeft();
    delay(1000);
  }
}
// --- 辅助函数 ---
// 获取超声波测量的距离
int getDistance() {
  // 发送一个10us的高电平来触发Trig
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  // 读取回波时间，单位为微秒
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  // 计算距离：声速 = 340m/s = 0.034cm/us
  // 距离 = (时间 * 速度) / 2 (因为去和回)
  distance = duration * 0.034 / 2;
  return distance;
}
// --- 电机控制函数 ---
void moveForward() {
  digitalWrite(motorA1, HIGH);
  digitalWrite(motorA2, LOW);
  digitalWrite(motorB1, HIGH);
  digitalWrite(motorB2, LOW);
}
void moveBackward() {
  digitalWrite(motorA1, LOW);
  digitalWrite(motorA2, HIGH);
  digitalWrite(motorB1, LOW);
  digitalWrite(motorB2, HIGH);
}
void turnRight() {
  digitalWrite(motorA1, HIGH);
  digitalWrite(motorA2, LOW);
  digitalWrite(motorB1, LOW);
  digitalWrite(motorB2, HIGH);
}
void turnLeft() {
  digitalWrite(motorA1, LOW);
  digitalWrite(motorA2, HIGH);
  digitalWrite(motorB1, HIGH);
  digitalWrite(motorB2, LOW);
}
void stopMotors() {
  digitalWrite(motorA1, LOW);
  digitalWrite(motorA2, LOW);
  digitalWrite(motorB1, LOW);
  digitalWrite(motorB2, LOW);
}

第三部分：进阶技巧与项目思路

当你掌握了基础,就可以尝试更复杂、更智能的机器人了。

（图片来源网络，侵删）

循迹小车

原理：使用 TCRT5000 红外对管传感器阵列检测地上的黑线，传感器在不同颜色表面会输出不同电平。
核心算法：P (比例) 控制。
- 假设有5个传感器,中间一个，两边各两个。
- 如果中间传感器检测到黑线,说明车在正上方，左右轮速度相同。
- 如果左边传感器检测到黑线,说明车偏右了，需要减速左轮或加速右轮来修正。
- 将传感器偏离中心线的“程度”转换为一个“误差值”，然后用这个误差值来调整左右轮的速度差。
代码结构：在 loop() 中，先读取所有传感器的值，计算出位置误差，然后根据误差调用不同的电机控制函数。

自平衡车

原理：这是一个经典的倒立摆问题，必须使用闭环控制。
硬件：需要 IMU 传感器（如 MPU6050）来精确测量俯仰角度和角速度。
核心算法：PID 控制器。
- 目标：保持车身垂直（角度为0）。
- 测量：MPU6050 实时获取当前角度。
- 计算误差：误差 = 目标角度 - 当前角度。
- PID 计算：
  - P (Proportional)：P = Kp * 误差，误差越大，电机力量越大，但只有 P 会导致车在平衡位置附近震荡。
  - I (Integral)：I = Ki * (误差的累加和)，用来消除静差（比如因为地面不平导致的微小倾斜）。
  - D (Derivative)：D = Kd * (误差的变化率)，用来抑制震荡，让系统更稳定。
- 输出：总输出 = P + I + D，这个输出值被用来控制车轮的转速，不断调整以维持平衡。
代码结构：需要一个高效的 loop()，尽可能快地读取数据、计算PID、控制电机。

机械臂

原理：精确控制多个舵机到达指定角度。
硬件：MG996R 或 SG90 等舵机。
核心算法：运动学逆解。
- 正运动学：已知每个关节的角度，计算末端执行器（抓手）在空间中的位置。
- 逆运动学：已知末端执行器想要到达的位置，反推出每个关节需要转动的角度，这是机械臂编程的难点。
代码结构：
- 可以定义一个函数 moveArm(joint1_angle, joint2_angle, ...) 来控制所有舵机。
- 对于简单应用,可以预先记录几个关键位置（如“抓取”、“抬起”、“放置”），然后通过按钮或串口命令切换。

蓝牙/WiFi 远程遥控车

原理：通过蓝牙模块（如 HC-05）或 WiFi 模块（如 ESP8266）接收来自手机或电脑的指令。
核心代码：Serial.available() 和 Serial.read()。
- 在 loop() 中不断检查串口是否有数据到来。
- 当收到数据（比如字符 'F' 代表前进），就调用相应的 moveForward() 函数。
手机App：可以使用 MIT App Inventor 或蓝牙串口App 来创建一个简单的遥控界面。

第四部分：代码结构与最佳实践

当项目变复杂时,把所有代码都写在 loop() 里会变得一团糟，良好的代码结构至关重要。

推荐结构：

包含库：在文件开头引入需要的库。

#include <Servo.h>      // 如果使用舵机
#include <NewPing.h>    // 如果使用超声波传感器，这个库更方便
#include <MPU6050.h>    // 如果使用IMU

定义常量和全局变量：集中管理所有引脚和配置。

// 引脚定义
const int ECHO_PIN = 10;
const int TRIG_PIN = 9;
// ... 其他引脚
// 全局变量
int robotSpeed = 150; // 全局速度变量

setup() 函数：只做初始化工作。

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  // ... 其他初始化
  Serial.println("Robot Initialized.");
}

loop() 函数：作为主调度器，保持简洁。

void loop() {
  // 1. 读取所有传感器
  readAllSensors();
  // 2. 执行核心逻辑（决策）
  makeDecision();
  // 3. 控制所有执行器
  updateActuators();
  // 4. (可选) 添加短暂延时，稳定循环
  delay(50); 
}

模块化函数：将不同功能写成独立的函数。
- void readAllSensors() { ... }
- void makeDecision() { ... } (这个函数可以再调用更细分的决策函数)
- void updateActuators() { ... }
- void moveForward(int speed) { ... } (带参数的函数更灵活)
- void calculatePID() { ... }
使用状态机：对于行为复杂的机器人（如自动吸尘器），状态机是最佳选择。
- 定义几种状态：enum State { STATE_IDLE, STATE_FORWARD, STATE_AVOID, STATE_CHARGING };
- 在 makeDecision() 中根据条件和当前状态，决定下一个状态。
- switch(currentState) 来执行不同状态下的动作。