乐高机器人 arduino

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乐高机器人 vs. Arduino：核心区别

在结合之前,我们先要理解它们各自的特点。

（图片来源网络，侵删）

特性	乐高机器人	Arduino
核心优势	结构搭建、机械传动	电子控制、编程灵活性
编程方式	图形化编程为主（如LEGO MINDSTORMS EV3 Classroom, SPIKE Prime App），C++为辅（EV3 C/C++）。	C/C++语言，直接操作硬件，对底层控制能力极强。
硬件接口	专用传感器（颜色、陀螺仪、超声波等）和电机，接口固定。	通用I/O口，可连接各种传感器（温湿度、红外、超声波模块等）和执行器（舵机、继电器、LED等）。
供电方式	专用锂电池组。	USB供电或外部电源（如9V电池、DC电源适配器）。
生态系统	封闭且成熟，所有部件高度集成，易于上手。	开放且庞大，全球有海量库和社区支持，组件选择极多。

简单比喻：

乐高机器人 像一辆顶配的、设计精良的汽车，它的引擎（电机）、底盘（结构）和驾驶系统（传感器）都是原厂匹配好的，你很容易就能开上路,但它很难改装成一辆飞机或船。
Arduino 像一个功能强大的发动机，它本身没有外壳，你需要自己设计车身（结构），连接各种部件（传感器、轮子），并用代码精确控制它的每一个动作，它非常灵活,可以创造出各种意想不到的东西。

为什么要将两者结合？

结合的核心思想是 “各取所长”。

发挥乐强的结构优势：利用乐高积木搭建出坚固、灵活、可扩展的机械结构，如机械臂、小车、履带底盘等。
发挥 Arduino 的控制优势：
- 更强大的传感器：可以轻松接入乐高机器人没有的传感器，如 温湿度传感器、气体传感器、红外避障传感器、心率传感器 等,让你的项目能感知更复杂的世界。
- 更灵活的控制：可以使用 Arduino 的 PWM（脉冲宽度调制） 来更精细地控制电机速度，或者控制舵机实现更复杂的关节运动。
- 更丰富的输出：可以控制 LED灯带、蜂鸣器、LCD显示屏 等,让项目有更丰富的视觉和听觉反馈。
- 更强的处理能力：对于一些需要复杂计算（如PID算法控制电机）或通信（如蓝牙、WiFi）的项目，Arduino 的性能和扩展性（通过WiFi模块）可能更优。
- 成本效益：相比原厂乐高传感器，许多通用的 Arduino 传感器模块价格更便宜。

如何实现连接？（关键步骤）

连接的核心是 电平匹配，乐高电机和传感器的电压通常是 9V，而 Arduino 的I/O口是 5V 或 3V，直接连接可能会烧毁 Arduino 的引脚，你需要一个“翻译官”——电机驱动板。

推荐方案：使用 L298N 或其他电机驱动板

这是最常见、最可靠的方案。

（图片来源网络，侵删）

所需硬件：

Arduino 主板 (如 Arduino Uno R3)
乐高电机 (EV3 或 Technic)
L298N 电机驱动板 (或类似的，如 TB6612FNG)
9V电池盒 (为乐高电机和L298N供电)
杜邦线 (用于连接)

连接步骤：

电源连接：
- 将 9V电池盒 的正负极分别连接到 L298N 的 VMS 和 GND 端子,这是为电机提供动力。
- 将 L298N 的 +5V 和 GND 端子连接到 Arduino 的 5V 和 GND，这是为Arduino和L298N的逻辑电路供电（如果你的L298N有+5V跳线，可以拔掉，由外部供电）。
电机连接：
（图片来源网络，侵删）
- 将 乐高电机 的两根导线连接到 L298N 的任意一个电机输出端（如 OUT1 和 OUT2）。
控制信号连接：
- 将 Arduino 的 数字引脚（如 Pin 7 和 Pin 8）连接到 L298N 的 IN1 和 IN2，这两个引脚控制电机的正转、反转和停止。
- （可选，用于调速）将 Arduino 的一个 PWM引脚（如 Pin 9）连接到 L298N 的 ENA，通过改变这个引脚的PWM值,可以控制电机的速度。

接线示意图（简化）：

       9V Battery Box
          |   |
          |   |
          V   V
      +-------+  (L298N Motor Driver)
      | VMS   |----> To LEGO Motor (+)
      | GND   |----> To LEGO Motor (-)
      | +5V   |----> Arduino 5V
      | GND   |----> Arduino GND
      | IN1   |----> Arduino Pin 7
      | IN2   |----> Arduino Pin 8
      | ENA   |----> Arduino Pin 9 (PWM)
      +-------+

传感器连接

对于乐高传感器，情况会复杂一些，因为它们通常是I²C或数字/模拟信号,你可以：

使用传感器适配器：市面上有专门的“传感器适配器”,可以将乐高传感器的信号转换为Arduino可以读取的信号。
逆向工程：通过查阅资料，了解乐高传感器的引脚定义和通信协议，自己设计电路来读取数据（有一定难度）。
直接使用Arduino传感器：对于初学者，最简单的方法是直接购买与Arduino兼容的传感器，如HC-SR04超声波传感器,然后将其固定在乐高结构上。

简单入门项目：乐高小车 + Arduino

目标：搭建一个乐高小车，用Arduino代码控制它前进、后退、左转、右转。

步骤 1：搭建 用乐高积木搭建一个简单的两轮小车,并将两个乐高电机分别作为左右轮的驱动。

步骤 2：硬件连接 按照上面“L298N方案”的接线图，连接好 Arduino、L298N 和两个乐高电机,假设：

左电机连接到 L298N 的 OUT1/OUT2，由 Arduino Pin 7, 8, 9 控制。
右电机连接到 L298N 的 OUT3/OUT4，由 Arduino Pin 10, 11, 12 控制。

步骤 3：Arduino 代码

// 定义控制引脚
const int leftMotor_IN1 = 7;
const int leftMotor_IN2 = 8;
const int leftMotor_ENA = 9;  // PWM引脚
const int rightMotor_IN1 = 10;
const int rightMotor_IN2 = 11;
const int rightMotor_ENB = 12; // PWM引脚
void setup() {
  // 设置所有控制引脚为输出模式
  pinMode(leftMotor_IN1, OUTPUT);
  pinMode(leftMotor_IN2, OUTPUT);
  pinMode(leftMotor_ENA, OUTPUT);
  pinMode(rightMotor_IN1, OUTPUT);
  pinMode(rightMotor_IN2, OUTPUT);
  pinMode(rightMotor_ENB, OUTPUT);
  // 初始化，让电机停止
  stopMotors();
}
void loop() {
  // 1. 前进 2秒
  moveForward(255); // 255是最大速度
  delay(2000);
  // 2. 停止 1秒
  stopMotors();
  delay(1000);
  // 3. 左转 1秒
  turnLeft(255);
  delay(1000);
  // 4. 停止 1秒
  stopMotors();
  delay(1000);
  // 5. 右转 1秒
  turnRight(255);
  delay(1000);
  // 6. 停止
  stopMotors();
  // 程序会从头开始循环
}
// --- 自定义函数 ---
// 前进函数
void moveForward(int speed) {
  // 左电机前进
  digitalWrite(leftMotor_IN1, HIGH);
  digitalWrite(leftMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(leftMotor_ENA, speed);
  // 右电机前进
  digitalWrite(rightMotor_IN1, HIGH);
  digitalWrite(rightMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(rightMotor_ENB, speed);
}
// 后退函数
void moveBackward(int speed) {
  // 左电机后退
  digitalWrite(leftMotor_IN1, LOW);
  digitalWrite(leftMotor_IN2, HIGH);
  analogWrite(leftMotor_ENA, speed);
  // 右电机后退
  digitalWrite(rightMotor_IN1, LOW);
  digitalWrite(rightMotor_IN2, HIGH);
  analogWrite(rightMotor_ENB, speed);
}
// 左转函数（左轮停，右轮前进）
void turnLeft(int speed) {
  // 左电机停止
  digitalWrite(leftMotor_IN1, LOW);
  digitalWrite(leftMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(leftMotor_ENA, 0);
  // 右电机前进
  digitalWrite(rightMotor_IN1, HIGH);
  digitalWrite(rightMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(rightMotor_ENB, speed);
}
// 右转函数（右轮停，左轮前进）
void turnRight(int speed) {
  // 左电机前进
  digitalWrite(leftMotor_IN1, HIGH);
  digitalWrite(leftMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(leftMotor_ENA, speed);
  // 右电机停止
  digitalWrite(rightMotor_IN1, LOW);
  digitalWrite(rightMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(rightMotor_ENB, 0);
}
// 停止函数
void stopMotors() {
  // 停止左电机
  digitalWrite(leftMotor_IN1, LOW);
  digitalWrite(leftMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(leftMotor_ENA, 0);
  // 停止右电机
  digitalWrite(rightMotor_IN1, LOW);
  digitalWrite(rightMotor_IN2, LOW);
  analogWrite(rightMotor_ENB, 0);
}