Arduino PID 巡线机器人：Android App 无线调参与手动控制

项目概述

本项目构建一个经典的 5 路红外巡线机器人，核心亮点在于：

• 实现完整 PID 闭环控制 (可选 P/PI/PD/PID)，实现平滑、高速巡线
• 集成 HC-06 蓝牙模块 + MIT App Inventor 2 开发 Android App，支持：
  — 实时无线修改 Kp/Ki/Kd 参数 (无需重新烧录)
  — 手动遥控 (前进/后退/左转/右转/停止)
  — 一键启动/停止巡线任务
• 模块化代码结构，易于扩展为迷宫求解机器人 (作者后续项目)
• 低成本 (~$75) 自制底盘：木板 + 360°连续旋转舵机 + 万向轮

硬件清单 (BOM)

机械组装要点

1. 舵机对齐：两舵机背靠背用 3M 命令贴/双面胶固成一体，输出轴同轴线
2. 零点校准：上传测试代码发送 1500μs 脉宽，调整舵机底部黄色电位器直到车轮完全停转
3. 脉宽映射：

• 右轮前进：1500μs (停) → 2000μs (全速)
• 左轮前进：1500μs (停) → 1000μs (全速) (安装方向相反)

4. 传感器阵列安装：5 个传感器等间距排列 (约 1.5-2cm 间距)，使任意时刻 1-2 个传感器覆盖黑线 (宽 1.5-2cm)
5. 传感器编号：最左 0 → 最右 4，接线对应 Arduino Pin 12, 18(A4), 17(A3), 16(A2), 19(A5)
6. 蓝牙模块：TX→Pin 10 (SoftwareSerial RX)，RX→Pin 11 (TX)，VCC/GND 接 5V/GND

核心算法：5 路传感器 → 误差值 → PID → 舵机脉宽

传感器状态编码与误差计算

传感器输出：HIGH (1) = 黑线，LOW (0) = 白底。理想居中时仅中间传感器 (S2) 检测到黑线：0 0 1 0 0

// 5 传感器状态 → 误差 error (-4 到 +4)
0 0 0 0 1  -> error = +4   (大幅右偏)
0 0 0 1 1  -> error = +3
0 0 0 1 0  -> error = +2
0 0 1 1 0  -> error = +1
0 0 1 0 0  -> error =  0   (完美居中)
0 1 1 0 0  -> error = -1
0 1 0 0 0  -> error = -2
1 1 0 0 0  -> error = -3
1 0 0 0 0  -> error = -4   (大幅左偏)
0 0 0 0 0  -> NO_LINE (丢线)
1 1 1 1 1  -> STOPPED (十字线/终点)

PID 控制器实现

float Kp = 50, Ki = 0, Kd = 0;  // 可通过 App 无线修改
float P, I, D, PIDvalue, previousError = 0;

void calculatePID() {
  P = error;
  I = I + error;           // 积分项 (小车通常置 0 避免超调)
  D = error - previousError;
  PIDvalue = (Kp * P) + (Ki * I) + (Kd * D);
  previousError = error;
}

void motorPIDcontrol() {
  // iniMotorPower = 250 (半速基准)
  int leftSpeed  = 1500 - iniMotorPower - PIDvalue;  // 左轮：减去 PIDvalue 加速/减速
  int rightSpeed = 1500 + iniMotorPower - PIDvalue;  // 右轮：减去 PIDvalue
  // 限幅保护
  leftSpeed  = constrain(leftSpeed, 1000, 2000);
  rightSpeed = constrain(rightSpeed, 1000, 2000);
  leftServo.writeMicroseconds(leftSpeed);
  rightServo.writeMicroseconds(rightSpeed);
}

主循环状态机

#define STOPPED 0
#define FOLLOWING_LINE 1
#define NO_LINE 2

void loop() {
  readLFSensors();  // 读取 5 路传感器 → 计算 error
  
  // 特殊状态检测
  if (allSensorsHigh()) mode = STOPPED;      // 十字线/终点
  else if (allSensorsLow()) mode = NO_LINE;  // 丢线
  
  switch (mode) {
    case STOPPED:   motorStop(); break;
    case NO_LINE:   motorStop(); motorTurn(LEFT, 180); break; // 原地掉头找线
    case FOLLOWING_LINE:
      calculatePID();
      motorPIDcontrol();
      break;
  }
  
  // 蓝牙指令处理 (非阻塞)
  checkBTcmd();
  manualCmd();
}

Android App (MIT App Inventor 2)

界面功能

• 手动控制区：前进(F)、后退(B)、左转(L)、右转(R)、停止(S) 按钮 → 发送字符 f/b/l/r/s
• PID 滑块：Kp/Ki/Kd 三个滑块 (0-100) → 发送 p/XX i/XX d/XX
• 启动巡线：按钮 g (Go) → 切换模式为 FOLLOWING_LINE
• 虚拟启动键：复用硬件按钮功能

通信协议 (Arduino 端解析)

void checkBTcmd() {
  while (BTSerial.available()) {
    char c = BTSerial.read();
    if (c == '\n') { commandComplete = true; break; }
    command += c;
  }
}

void manualCmd() {
  if (!commandComplete) return;
  switch (command[0]) {
    case 'g': mode = FOLLOWING_LINE; break;
    case 's': motorStop(); break;
    case 'f': motorForward(); break;
    case 'b': motorBackward(); break;
    case 'l': motorTurn(LEFT, 30); motorStop(); break;
    case 'r': motorTurn(RIGHT, 30); motorStop(); break;
    case 'p': Kp = command.substring(2).toFloat(); break; // "p/50"
    case 'i': Ki = command.substring(2).toFloat(); break;
    case 'd': Kd = command.substring(2).toFloat(); break;
  }
  command = ""; commandComplete = false;
}

PID 调参实战指南

1. 仅调 P：设 Ki=Kd=0，Kp 从 25 开始。过小→跟不上弯道；过大→左右剧烈振荡。找到临界振荡值再减半。
2. 引入 D：Kd = Kp/2 起步。增加 D 抑制超调，减少振荡。若变不稳定则减小 D。
3. 引入 I (可选)：小车通常不需要 I 项 (稳态误差小)，且会增加调试难度。如需消除长直道微小偏移，Ki 设极小值 (0.1-1)。
4. 循环周期：主循环 delay 影响采样率。建议 10-20ms 周期 (50-100Hz)，通过逻辑分析仪或示波器观测 PWM 波形微调。

代码仓库与文件结构

GitHub: Mjrovai/MJRoBot-Line-Follower

项目包含多个 .ino 标签页：

• robotDefines.h：引脚定义、常量、全局变量
• motorControl.ino：舵机脉宽封装、前进/后退/转向/停止
• lineSensor.ino：读取传感器、计算 error
• pidControl.ino：PID 计算与电机输出
• bluetooth.ino：SoftwareSerial 通信、指令解析
• main.ino：setup/loop、状态机、启动等待逻辑

App 源文件：.aia (App Inventor 可编辑) 与 .apk (直接安装)。

常见问题与调试技巧

扩展路线图：从巡线到迷宫求解

作者规划的第二阶段项目 Maze Solver Robot 将在本项目基础上增加：

• 超声波/TOF 测距传感器检测墙壁
• 左手/右手法则或 A* 算法实现自主探索建图
• 编码器 (或舵机内部电位器改装) 实现里程计定位
• 更强 MCU (ESP32/STM32) 运行微型 SLAM

结语

这个项目以"低成本、高教学价值"为核心，完整展示了从机械搭建、电路接线、传感器信号处理、PID 控制理论到无线调试界面的全栈开发流程。模块化代码与 App Inventor 开源 App 让初学者能快速上手体验闭环控制的魅力，也为进阶迷宫机器人奠定坚实基础。祝你调参顺利，巡线无忧！