Arduino机器人如何入门？

Arduino 机器人的核心概念

一个简单的 Arduino 机器人通常由以下几部分组成：

1. 大脑 - Arduino 主板

   • 作用：接收传感器信息，根据编程逻辑进行计算，并控制执行器（如电机）。
   • 常用型号：
     • Arduino Uno：最经典、最通用的选择，资源丰富,社区支持强大。
     • Arduino Nano：体积小，功能与 Uno 类似,适合对空间有要求的紧凑型机器人。
     • Arduino Mega：引脚更多,适合需要连接大量传感器和执行器的复杂机器人。

2. 感官 - 传感器

   • 作用：让机器人感知外部世界。
   • 常用传感器：
     • 超声波传感器：测量前方障碍物的距离,是避障机器人的核心。
     • 红外巡线传感器：检测地面上的黑线,是循线机器人的核心。
     • 红外避障传感器：与超声波类似，但原理不同,近距离检测效果好。
     • 陀螺仪/加速度计：检测机器人的姿态、倾斜和旋转,用于自平衡机器人。
     • 蓝牙/WiFi 模块：实现与手机或电脑的无线通信,进行远程控制。

3. 四肢 - 执行器

   • 作用：让机器人行动起来。
   • 常用执行器：
     • 直流减速电机 + 轮子：最基础的动力单元，提供前进、后退、转向的动力。
     • 舵机：可以精确控制角度，用于机械臂、云台、头部转动等。
     • 步进电机：可以精确控制转动的步数和速度，适用于 3D 打印机、CNC 机器人等。

4. 神经系统 - 驱动板和连接线

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 电机驱动板：
     • 作用：Arduino 的引脚电流很小，无法直接驱动电机，驱动板起到了“放大器”的作用，接收 Arduino 的微弱控制信号,驱动大功率的电机。
     • 常用型号：L298N 是最经典、最便宜的入门选择。TB6612FNG 是更高效、更小巧的升级版。
   • 连接线：杜邦线、跳线,用于连接各个模块。

5. 骨架 - 底盘

   • 作用：将所有部件固定在一起,形成一个整体。
   • 常用底盘：网上有各种尺寸和材质（亚克力、铝合金）的机器人底盘套件，通常已经预装了电机和轮子,非常方便。

一个经典的入门项目：智能避障小车

这是几乎所有 Arduino 机器人爱好者都会做的第一个项目,它能让你快速掌握机器人控制的核心逻辑。

所需组件清单：

组装步骤：

1. 组装底盘：按照底盘说明书，将两个电机、轮子、万向轮（或前轮）安装好。
2. 固定主板和驱动板：将 Arduino Uno 和 L298N 驱动板用双面胶或螺丝固定在底盘上。
3. 连接电路：
   • 电机连接：将两个电机的正负极分别接到 L298N 驱动板上的 OUT1/OUT2 和 OUT3/OUT4 端口。
   • 驱动板控制：将 L298N 的 IN1, IN2, IN3, IN4 接到 Arduino 的数字引脚（IN1->D5, IN2->D4, IN3->D3, IN4->D2）。
   • 使能端：将 ENA 和 ENB（控制电机速度）接到 Arduino 的 PWM 引脚（ENA->D6, ENB->D9）。
   • 超声波传感器：将 VCC 接 5V, GND 接 GND, Trig 接一个数字引脚（D12），Echo 接另一个数字引脚（D11）。
   • 电源连接：
     • 重要！ 电池盒的正负极 必须 接到 L298N 驱动板的 +12V 和 GND 端口,这将为电机提供动力。
     • 从 L298N 驱动板的 +5V 和 GND 端口引出线，为 Arduino 和超声波传感器供电。不要用电池直接给 Arduino 供电，以防电压不稳烧毁板子。
4. 上传代码：将编写好的代码通过 Arduino IDE 上传到 Arduino Uno。

Arduino 代码示例（避障逻辑）：

// 定义引脚
const int enA = 6;  // 左电机使能端 (PWM)
const int in1 = 5;  // 左电机控制1
const int in2 = 4;  // 左电机控制2
const int enB = 9;  // 右电机使能端 (PWM)
const int in3 = 3;  // 右电机控制1
const int in4 = 2;  // 右电机控制2
const int trigPin = 12; // 超声波 Trig
const int echoPin = 11; // 超声波 Echo
// 定义一些常量
const int motorSpeed = 150; // 电机速度 (0-255)
const int obstacleDistance = 20; // 障碍物距离阈值 (cm)
void setup() {
  // 设置所有电机引脚为输出
  pinMode(enA, OUTPUT);
  pinMode(in1, OUTPUT);
  pinMode(in2, OUTPUT);
  pinMode(enB, OUTPUT);
  pinMode(in3, OUTPUT);
  pinMode(in4, OUTPUT);
  // 设置超声波传感器引脚
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  // 初始化串口通信，用于调试
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  // 1. 测量距离
  long duration, distance;
  // 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
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  // 计算距离 (声速 = 340m/s = 0.034cm/us)
  distance = duration * 0.034 / 2;
  // 在串口监视器上打印距离，方便调试
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  // 2. 根据距离做出决策
  if (distance > obstacleDistance || distance == 0) {
    // 没有障碍物或距离无效，直行
    moveForward();
  } else {
    // 检测到障碍物，后退并转向
    moveBackward();
    delay(500);
    turnRight();
    delay(300); // 转向时间可以调整
  }
}
// --- 电机控制函数 ---
void moveForward() {
  digitalWrite(in1, HIGH);
  digitalWrite(in2, LOW);
  digitalWrite(in3, HIGH);
  digitalWrite(in4, LOW);
  analogWrite(enA, motorSpeed);
  analogWrite(enB, motorSpeed);
}
void moveBackward() {
  digitalWrite(in1, LOW);
  digitalWrite(in2, HIGH);
  digitalWrite(in3, LOW);
  digitalWrite(in4, HIGH);
  analogWrite(enA, motorSpeed);
  analogWrite(enB, motorSpeed);
}
void turnRight() {
  digitalWrite(in1, LOW);
  digitalWrite(in2, HIGH);
  digitalWrite(in3, HIGH);
  digitalWrite(in4, LOW);
  analogWrite(enA, motorSpeed);
  analogWrite(enB, motorSpeed);
}
void turnLeft() {
  digitalWrite(in1, HIGH);
  digitalWrite(in2, LOW);
  digitalWrite(in3, LOW);
  digitalWrite(in4, HIGH);
  analogWrite(enA, motorSpeed);
  analogWrite(enB, motorSpeed);
}
void stopMotors() {
  digitalWrite(in1, LOW);
  digitalWrite(in2, LOW);
  digitalWrite(in3, LOW);
  digitalWrite(in4, LOW);
}

进阶项目方向

当你掌握了基础避障小车后,可以尝试以下更有趣的项目：

1. 蓝牙/APP 遥控小车

   • 新增组件：HC-05 或 HC-06 蓝牙模块。
   • 实现原理：手机通过蓝牙 APP 发送指令（如 'F' 前进, 'B' 后退），Arduino 接收指令并控制电机，可以使用免费的 APP 如 "Arduino Bluetooth Controller"。

2. 自动循线小车

   • 新增组件：TCRT5000 红外巡线传感器模块（3-5 个）。
   • 实现原理：传感器检测黑线和白色地面，根据传感器阵列的读差来判断小车是否偏离赛道,然后通过差速转向来修正路线。

3. 自平衡机器人

   • 新增组件：MPU-6050 陀螺仪/加速度计模块，两个大扭矩电机,更稳固的底盘。
   • 实现原理：这是一个经典的倒立摆控制问题，通过 MPU-6050 实时读取机器人的倾角，使用 PID 控制算法，根据倾角大小和方向，快速调整两个电机的转速，以保持机器人直立不倒,这是难度较高但非常酷炫的项目。

4. 机械臂

   • 新增组件：4个或更多舵机,金属机械臂结构套件。
   • 实现原理：每个舵机控制一个关节（底座旋转、大臂、小臂、夹爪），通过控制每个舵机的角度，实现抓取、移动等动作,可以配合超声波传感器实现自动抓取。

学习资源和社区

• 购买平台：
  • 淘宝/天猫：搜索 "Arduino 机器人套件"，可以买到几乎所有你需要的零件,非常方便。
  • AliExpress：国外平台，选择更多，但 shipping 时间较长。
• 教程网站：
  • Arduino 官网：https://www.arduino.cc/ (英文)
  • DFRobot (DF创客社区)：https://www.dfrobot.com.cn/ (中文,教程和社区非常活跃)
  • Instructables：https://www.instructables.com/ (海量的 DIY 项目教程)
• 视频平台：
  • Bilibili (B站)：搜索 "Arduino 机器人"，有大量详细的视频教程,从入门到精通。
  • YouTube：https://www.youtube.com/ (搜索 "Arduino Robot Project")

制作 Arduino 机器人是一个充满乐趣和挑战的过程，建议你从 智能避障小车 开始，一步一步地搭建和调试，在这个过程中，你会遇到各种问题（如接线错误、代码 bug、机械结构不稳）,解决这些问题的过程就是你成长的过程。

祝你玩得开心，创造出属于你自己的机器人！

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