Arduino制作循迹小车完全教程

　　循迹小车曾是大学期间最早接触的智能科技竞赛作品。现在它已经是生活中常见的儿童玩具，也成为儿童课外培训课的内容，我相信，对于孩子和那些没有接触过它的成人来说，依旧会对循迹小车充满好奇和喜爱。今天我就把我制作循迹小车的资料和流程分享出来，供大家学习参考，希望你们可以自己动手做出充满科技感的循迹小车。材料清单：
　　车体：一张板（木板、塑料板、甚至是雪糕棒拼接的），万向轮或小轴承、铜柱、车轮、电机；
　　硬件：Arduino Uno或Arduino Nano，电机驱动模块、红外传感器*3、电源、杜邦线。
　　软件：一个安装了Arduino程序的电脑
　　在讲解如何制作循迹小车之前，我们先了解一下它的结构组成和运行原理，理清软件硬件实现的思路，对我们后期制作循迹小车会更有帮助。宏观上看主要包括车体、硬件电路和软件编程三部分。它的整个运行原理就是前端的红外传感器检测黑线的存在，并将它的位置信号反馈给主控板，主控程序对小车位置进行分析，从而控制两个电机的速度（差速运行），达到直行、左转、右转、倒车等操作效果。
　　那么具体的制作和零件选择，我们来依次分析一下。车体部分：
　　首先来拆解循迹小车的车体结构。循迹小车的车体可以做得非常简单，也可以设计的很复杂但更美观。一张板子配上电机和车轮就可以做好，如果想要设计出可爱的造型，那你就要费点时间和精力了。
　　（1）这里不在设计上过于纠结，通过一个简单的结构说清楚车体的制作：
　　这是一个简单的车体结构，一张塑料洞洞板，通过螺钉、螺母、电机固定架将电机固定在洞洞板上，再将与电机轴尺寸合适的车轮直接插到电机轴上，最后在洞洞板前端用铁丝固定一个小轴承充当前轮，车体部分就完成了。
　　型号：
　　电机：N20减速电机（购物网站很容易搜到，大概在10元左右）
　　车轮：与电机轴配套的D型孔的橡胶轮（搜索N20电机橡胶轮）
　　电机固定架：搜索N20电机固定架。
　　底板：搜索固位板可以找到很多，这个比较随意。
　　轴承：外径10mm左右都可以，或者也可以选择其他圆形结构替代。
　　综上，重点是选定电机，车轮和固定架匹配电机就可以，至于底板可以自由选择，考虑好如何固定电机和前轮就可以。
　　（2）另外介绍一种常见的可以买到的车体，如图：
　　这种类型的车体是平时最常见的车体结构，在网上搜索智能车套件，会有很多选择。当然，想动手自己尝试设计组装的也可以买好配件自由发挥。对于这个底板，看上去很复杂，其实上面预留的孔也是随意切割，只要匹配电机和万向轮的固定孔位就可以。家里有木工工具的也可以自己锯一块木板，打几个孔也能搞定。或者会CAD设计的，把图纸拿到街边的广告制作店铺，分分钟也可以加工出来漂亮的亚克力底板。
　　电机：TT电机，相对N20电机要便宜一半左右
　　轮子：选择与电机轴配套的孔型，这个电机轴是扁的，网上搜索TT电机橡胶轮可以找到。
　　万向轮：网上很容易找到，重点关注螺丝固定孔与底板上对应孔的匹配。
　　总结：车体部分实际上并不难，重点是要做好各个组件的安装匹配。同时，不要忘记后面主控板、传感器的安装位置，需要提前确定好，并预留孔位。硬件电路部分：
　　硬件电路部分主要包括主控板、电机驱动模块、红外循迹传感器、电源等。
　　（1）主控板以Arduino Uno为例进行讲解，对于没有编程经验的会简单一些，它还可以实现图形化编程界面（Mixly），更是适合儿童编程学习。板子价格相对便宜，20元左右，一个板子+一条数据线就可以用起来了。
　　主控板的外形如下图所示，它的学习不是一下可以说清楚的，我后面会给大家提供部分资料，也会把跟小车相关的用法讲清楚。
　　从图上看到，这块板子有14个数字输入/输出端口，6个PWM端口。数字端口主要用于传递高低电平，高电平为1，低电平为0；红外传感器就是连接到这些端口上，通过高低电平来传递消息；PWM端口是在板子上标有＂~＂符号的端口，电机驱动的逻辑输入端口就是跟PWM端口连接，它是用来给电机设定速度的，一般值在0-255之间。
　　USB接口通过数据线与电脑连接，便于下载程序到主板上。
　　电源接口可以与外部5V或3.3V电源连接，要注意看板子上的标识，不可以随意接，也可以用来给传感器供电。如果电源接口不够用，可自行连接导线扩展，但也要注意不能过多，电流太大容易烧芯片。
　　注意：主控板供电只能是3.3V或5V，我们直接用后面的电机驱动模块中的5V供电便可以。
　　板子的资料和对应软件下载都罗列出来：
　　1. 插上UNO开发板，驱动会自动安装
　　2.在die里面选择板卡 UNO
　　3. 选择COM端口，这个可以在我的电脑里查询，刚刚你的UNO开发板里面端口。
　　这里把软件安装完成后的板卡选择和COM端口选择截图演示，以便不懂的朋友参阅。这两个端口的设置是为了将程序传输到主控板上，必须选择对应的板卡（主控板型号）和电脑连接端口。如下图：
　　2）红外循迹传感器模块：就像人的眼睛，是用于判断黑线的。红外循迹传感器上有两个二极管，一个是发射红外信号，另一个可以接收红外信号。当传感器下方是黑线时，黑色可以大量吸收红外信号，从而导致返回的红外信号非常微弱；当传感器下方不是黑色时，，大量的红外信号被反射回来，被接收端接收。从而可以判断黑线的存在了，这就是红外循迹传感器的作用原理。
　　网上的红外循迹传感器也是多种多样，不过使用都是一样的，最主要的就是判断在扫描到黑线时，返回的是高电平还是低电平，这个在产品介绍那都会有介绍。红外循迹传感器模块大概如下图所示：
　　图上看出传感器上有4个接线端和3个接线端的区别，它们都会有电源正极Vcc、负极GND、数字输出口D0，而多出那一个端口是A0，也就是模拟输出端，这个对我们使用并不影响，我们只使用数字输出端（D0）就可以。
　　在使用时，只需将电源端接好，把数字输出端接到主控板的数字输入/输出端口，便完成连接。具体连接图在后面展示。
　　在购买时注意购买红外循迹传感器模块，而不能直接购买红外传感器。因为单独的红外传感器是用不了的，需要其他芯片配合使用。模块上都是集成好的，可以直接使用。
　　（3）电机驱动模块，是用于对电机速度和转向的控制模块。费用大概在10元左右，其端口连接会多点，但并不复杂。我来依次说明，如下图，左右两端蓝色的输出A和输出B是连接两个电机的，把左侧电机的两条线接到输出A，同理，右侧接到输出B。外部供电可以选择5-35v，但一般12v或9v就足够。电源正极接在下图的12v供电端，负极接在供电GND端，而图中5V供电可以用于给控制板和红外循迹传感器进行供电，注意负极都是要接到供电GND。最后就是逻辑输入这四个端口，需要跟控制板上的数字输入/输出端口相连接，左侧两个是控制左侧电机，而右侧两个是控制右侧电机。
　　具体的连接图示在最后展示。
　　（4）电源部分则可以直接买12V锂电池，或者比较简单的就购买9v电池，配上连接头就能直接使用。
　　由于篇幅有限，仅对用到的硬件部分进行简单介绍，但足以完成循迹小车的制作。下面我就把整体的硬件连接图展示出来。
　　软件编程部分：
　　该部分应该是整个循迹小车的核心，它赋予小车思想，让小车智能化。对于该部分的实现，方式方法都有很多种，比如利用Arduino IDE界面直接代码编程，还可以通过图形化界面进行拖拽编程，如Mixly。方法上有直接法，就是对电机的控制人为设定参数，简单粗暴；还有会结合PID算法的高级控制，这种方法对于小车的响应速度更快，也更合理，但是难度会高一些。
　　该文章就是科普性质，所以先通过最简单的方式，实现小车的循迹功能。编程的整体思想是先判断黑线的位置，当中间传感器扫描到黑线时，小车位置正确，电机继续按原始速度行走；当左侧传感器扫描到黑线时，此时小车已经偏右，需要及时向左校正，左侧电机减速，右侧电机加速，完成左转；当右侧传感器扫描到黑线时，此时小车已经偏左，需要及时向右校正，左侧电机加速，右侧电机减速，完成右转；下面列出上述电路连接对应的程序：
　　static int initial_motor_speed=100;
　　const int IN_A1=6;
　　const int IN_A2=9;
　　const int IN_B1=10;
　　const int IN_B2=11;
　　const int sensor2=2;
　　const int sensor3=3;
　　const int sensor4=4;
　　void setup() {
　　pinMode(IN_A1,OUTPUT);
　　pinMode(IN_A2,OUTPUT);
　　pinMode(IN_B1,OUTPUT);
　　pinMode(IN_B2,OUTPUT);
　　pinMode(sensor2,INPUT);
　　pinMode(sensor3,INPUT);
　　pinMode(sensor4,INPUT);
　　}
　　void loop() {
　　char num2,num3,num4;
　　num2=digitalRead(sensor2);
　　num3=digitalRead(sensor3);
　　num4=digitalRead(sensor4);
　　if(num4==0){
　　analogWrite(IN_A1,150);
　　analogWrite(IN_A2,0);
　　analogWrite(IN_B1,50);
　　analogWrite(IN_B2,0);
　　}else if(num2==0){
　　analogWrite(IN_A1,50);
　　analogWrite(IN_A2,0);
　　analogWrite(IN_B1,150);
　　analogWrite(IN_B2,0);
　　}else{
　　analogWrite(IN_A1,100);
　　analogWrite(IN_A2,0);
　　analogWrite(IN_B1,100);
　　analogWrite(IN_B2,0);
　　}
　　}
　　将程序拷贝并上传到主控板中，就完成程序输入了。如果你的电路连接跟图示的一样，那这个程序可以实现小车的循迹功能。如果你购买的循迹传感器检测到黑线输出高电平，只需要把程序中num4==0，nm2==0改成num4==1，nm2==1即可。对于程序部分不作详细的讲解，如有需要可以自行查阅资料或私信交流。
　　到此为止，小车的车体、电路、软件均已完成，灵魂战车可以出发了！