于Arduino开发板的自动驾驶技术研究——反射式光电传感器循迹小车实验研究
1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表
课题名称 |
于Arduino开发板的自动驾驶技术研究——反射式光电传感器循迹小车实验研究 |
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课 题 组 成 员 及 有 关 情 况 |
姓名 |
性别 |
班级 |
职务 |
学号 |
李泽洋 |
男 |
高一14 |
组长 |
zp05g05n0201 |
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薛博文 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp05g05n0202 |
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夏浩强 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp05g05n0203 |
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王梓安 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp05g05n0204 |
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胡莫涵 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp05g05n0205 |
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指导老师 |
刘晓涵 |
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课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容 |
研究目的： 1. 探究自动驾驶技术中“感知-决策-执行”的核心闭环控制逻辑。 2. 掌握Arduino UNO开发板的使用、反射式光电传感器的应用及电路搭建技术。 3. 分析程序参数与跑道底色对循迹效果的影响，实现小车在不同底色跑道的自主循迹。 主要内容： 1. 搭建基于Arduino的循迹小车硬件系统，完成传感器与电机驱动板的电路连接。 2. 探究光电传感器在黑白表面的电压输出规律，确定循迹阈值。 3. 编写并优化控制程序，实现白底黑边跑道的稳定循迹及黑底白边跑道的程序适配。 |
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研 究 假 设 |
基于Arduino开发板与反射式光电传感器搭建的循迹小车，能精准识别跑道边缘，实现无误差自主循迹，且可直接适配不同底色的跑道循迹需求。 |
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研 究 方 法 |
实验法、文献研究法、小组讨论法、控制变量法 |
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研 究 步 骤 （各 阶 段 的 主 要 内 容 和 时 间 安 排） |
一 、8月22日-8月30日 领取科学盒子和科学海报 录制开箱视频，拍摄开箱照片。 二、9月1日-9月10日 加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课。 三、9月1日-10月8日 1. 登录在线学习平台 2. 完成探究性学习导论，合作讨论课程学习； 3. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交； 4. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、10月11日-11月9日 进行课题研究进展线上中期汇报。 五、11月13日-11月20日 成果制作和修改 六、11月14日-11月30日 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、12月初 闭幕式，进行成果的汇报与表彰 |
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成 果 形 式 |
研究报告（论文）、PPT演示文稿、实验数据手册、循迹小车实物 |
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论 证 小 组 意 见 |
论证人签名： 年 月 日 |
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2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题题目：基于Arduino开发板的自动驾驶技术研究——反射式光电传感器循迹小车实验研究 |
编号：zp05g05n02 |
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活动时间：11月1日 |
第 3 次 |
活动地点：教室 |
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指导教师：刘晓涵 |
班级：高一14班 |
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参加活动成员： 薛博文、李泽洋、夏浩强、王梓安、胡莫涵 |
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活动内容： 1. 活动目的：验证循迹小车的自主循迹能力，探究程序参数、跑道底色对循迹效果的影响，解决转向偏差、识别错误等核心问题。 2. 活动形式：分组实验、线上数据汇总、小组集中讨论。 3. 活动过程： ① 分工协作：硬件组调试电路，编程组优化代码，测试组开展对照实验。 ② 数据汇总：集中展示5版程序的测试数据、循迹视频片段。 ③ 问题研讨：针对“转向过急”“黑底白边识别失败”等问题，确定“延长转向时间”“反转阈值逻辑”的优化方案。 4. 活动结果： ① 结论：成功实现自动驾驶“感知-决策-执行”闭环控制；程序参数优化与阈值逻辑调整是提升循迹效果的关键。 ② 问题解决：解决了传感器阈值适配与跨跑道底色兼容问题。 ③ 假设修正：原“无误差循迹”假设不成立，小车受硬件精度影响存在微小偏差。 ④ 新问题提出：如何通过PID算法或多传感器融合进一步提升循迹精度？ 记录者: 薛博文 |
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注：1、由课题组长负责填写，备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。
3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告
基于Arduino开发板的自动驾驶技术研究——反射式光电传感器循迹小车实验研究 |
编号：zp05g05n02 |
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课题组成员 |
组长：李泽洋 |
组员：薛博文、夏浩强、王梓安、胡莫涵 |
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指导教师：刘晓涵 |
报告执笔人： 李泽洋 |
完成时间：12月8日 |
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主导课程：自动驾驶技术与智能控制 |
相关课程：信息技术、物理、数学 |
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（一）书面材料 |
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课题成果： 1. 预期成果：完成循迹小车搭建，编写单一程序实现不同底色跑道的无误差自主循迹。 2. 实际成果： ① 硬件成果：成功搭建硬件系统，解决了接线接触不良、电机卡滞等问题。 ② 实验成果：确定光电传感器黑白识别阈值为500；优化后小车在白底黑边跑道平均单圈时间0.8分钟，黑底白边跑道平均单圈时间0.9分钟，实现稳定循迹（存在微小偏差）。 ③ 理论成果：明确了光电循迹的物理原理与程序适配逻辑。 |
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参考书目及资料： 1. [1] Arduino官方团队.《Arduino UNO R3使用手册》[Z].2023.[2] 吕栋腾.《智能检测技术与应用》[M].西北大学出版社,2024.[3] 张晓东.《基于Arduino的智能循迹小车设计与实现》[J].电子制作,2022.4. |
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附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1份）、实验原始记录（3份）、测量数据（3份）、程序代码（1份）。 |
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（二）实物材料 编号：C名称：光电循迹效果影响因素探究成果集 制作者：薛博文、李泽洋、夏浩强、王梓安、胡莫涵 内容：传感器电压变化图示、程序版本对比图、小车组装图、实验照片集。 功能：直观展示研究过程与核心结论，辅助成果汇报。 |
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（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）：1. 硬件：循迹小车实物、白底黑边/黑底白边跑道各1套。2. 软件：安装Arduino IDE的电脑1台（用于展示代码）。3. 设备：投影仪1台（用于PPT与数据展示）。 |
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第四部分 学术论文成果
基于Arduino开发板的自动驾驶技术研究——反射式光电传感器循迹小车实验研究
作者：薛博文、李泽洋、夏浩强、王梓安、胡莫涵
单位：徐州市第一中学 高一14班
指导教师：刘晓涵
摘要
自动驾驶技术的核心是“感知-决策-执行”的闭环控制。本研究以Arduino UNO R3开发板为控制核心，搭载反射式光电传感器与L298N电机驱动板，搭建智能循迹小车实验平台。通过控制变量法，探究了光电传感器在不同颜色表面的电压输出规律，确定了黑白识别阈值，并完成了循迹程序的编写与优化。研究结果表明：反射式光电传感器在白色表面输出低模拟值（约190），在黑色表面输出高模拟值（约760），以500为阈值可实现精准识别；优化转向时间与电机转速后，小车可在白底黑边跑道稳定循迹（平均单圈0.8分钟）；通过反转阈值判断逻辑，可实现黑底白边跑道的无缝适配。本研究验证了低成本硬件实现自动驾驶基础功能的可行性，深化了对智能控制逻辑的理解。
关键词：Arduino；自动驾驶；反射式光电传感器；循迹小车；阈值逻辑
一、研究背景
自动驾驶技术是人工智能领域的研究热点，其核心在于通过传感器获取环境信息，经控制器处理后驱动执行器完成动作。商用自动驾驶系统依赖激光雷达、高清摄像头等高端设备，门槛较高。Arduino作为开源嵌入式平台，具有低成本、易上手的特点，搭配反射式光电传感器，可构建简易循迹小车，模拟自动驾驶的核心逻辑。
高中阶段开展此项研究，不仅能将物理（光的反射）、信息技术（编程与电路）、数学（数据处理）等学科知识融会贯通，还能培养跨学科实践能力与团队协作精神。本研究旨在通过搭建循迹小车，探索光电循迹的原理与优化方法，为自动驾驶技术的入门学习提供实践参考。
二、实验材料与设备
本实验所用器材均由徐州市第一中学提供，核心材料如下：
控制单元：Arduino UNO R3开发板、方口USB数据线；
感知单元：反射式光电传感器（2个）、10kΩ电阻、220Ω电阻、公对母杜邦线；
执行单元：智能小车套件（车轮、直流电机、亚克力底板）、L298N电机驱动板；
辅助材料：9V电池、电池扣、热熔胶、压舌板、A4白纸、黑胶带、秒表。
三、研究过程与方法
本研究采用递进式实验设计，分为硬件搭建、传感器标定、程序优化三个阶段，全程采用控制变量法，确保实验结果的有效性。
（一）阶段一：循迹小车硬件系统搭建
底盘组装：将直流电机通过T形板固定在亚克力底板，安装车轮，搭建双层硬件支架。
传感器固定：用热熔胶将压舌板制作成H形支架，将两个光电传感器对称固定于小车车头，确保离地高度一致（约2mm）。
电路连接：
传感器电路：5V电源串联10kΩ电阻接传感器1号引脚，2号引脚接地，4号引脚串联220Ω电阻后分别接入Arduino A0、A1端口。
电机电路：L298N驱动板与Arduino数字端口（ENA=5、ENB=6、IN1-IN4=8-11）连接，驱动板接电机与9V电源。
（二）阶段二：光电传感器黑白识别阈值标定
实验设计：将传感器分别对准白色白纸与黑色胶带，使用Arduino IDE的analogRead()函数读取输出值。
数据采集：每个表面重复测试3次，记录并计算平均值。
阈值确定：根据数据差异，确定黑白识别的核心阈值。
实验数据：
检测表面 |
左侧传感器（A0）平均值 |
右侧传感器（A1）平均值 |
白色白纸 |
186 |
192 |
黑色胶带 |
754 |
761 |
结论：黑白表面数值差异显著，确定500为识别阈值。
（三）阶段三：循迹程序编写与优化
基础程序编写：基于阈值编写“直行-左转-右转-停止”的控制逻辑，烧录至开发板。
参数优化实验：针对基础程序“转向过急”的问题，调整转向时间（delay值）与电机转速（PWM值），共迭代5版程序，每版测试3次。
跨底色适配实验：制作黑底白边跑道，测试基础程序适配性，通过反转阈值逻辑编写适配程序。
核心程序逻辑：
白底黑边：模拟值 > 500 → 识别为边缘，执行转向。
黑底白边：模拟值 < 500 → 识别为边缘，执行转向。
四、实验结果与分析
（一）硬件搭建结果
成功完成硬件系统组装，解决了接线接触不良、传感器偏移、电机卡滞等问题。Arduino开发板可正常接收传感器信号并驱动电机，硬件系统稳定可靠，为后续实验奠定了基础。
（二）程序优化结果
程序版本 |
改动内容 |
白底黑边循迹结果 |
平均单圈时间 |
V1.0 |
基础逻辑，PWM=200，delay=20ms |
无法完成循迹（转向过急） |
- |
V3.0 |
延长转向时间至50ms |
可完成循迹，存在轻微偏差 |
1.2分钟 |
V5.0 |
降低PWM至150，优化阈值逻辑 |
稳定循迹，偏差极小 |
0.8分钟 |
分析：电机转速过快会导致转向精度不足，转向时间过短无法完成纠偏。通过降低转速、延长转向时间，可显著提升循迹稳定性。
（三）跨底色适配结果
跑道类型 |
程序逻辑 |
循迹结果 |
平均单圈时间 |
黑底白边 |
阈值反转（<500为边缘） |
稳定循迹 |
0.9分钟 |
分析：跑道底色切换后，边缘与背景的反射率属性互换。仅通过反转阈值判断逻辑，无需改动硬件，即可实现适配，验证了程序设计的灵活性。
（四）研究假设验证
原假设“实现无误差自主循迹”不成立。实验发现，小车受传感器精度、机械组装偏差、地面摩擦力等因素影响，存在微小的循迹偏差，但该偏差在可接受范围内，不影响核心功能实现。
五、研究结论
物理原理层面：反射式光电传感器的输出值与表面反射率呈负相关，白色表面输出低模拟值，黑色表面输出高模拟值，通过设定合理阈值（本研究为500），可实现跑道边缘的精准识别。
技术实现层面：基于Arduino的循迹小车，通过“感知-决策-执行”的闭环控制，可实现自动驾驶基础的循迹功能。程序参数（转向时间、电机转速）的优化是提升循迹性能的关键。
适配性层面：面对不同底色的跑道，无需改变硬件结构，仅通过反转阈值判断逻辑，即可完成程序适配，实现跨场景循迹。
局限性层面：低成本循迹小车无法实现绝对“无误差”循迹，受硬件与环境因素影响，存在微小偏差，这是后续优化的核心方向。
六、研究展望
本研究搭建的循迹小车为基础智能系统，未来可从以下方向进行优化：
算法升级：引入PID控制算法，根据传感器偏离阈值的程度动态调整转向，实现偏差的实时修正。
硬件拓展：增加超声波传感器，实现循迹与避障的融合；为传感器加装遮光罩，提升抗光干扰能力。
功能升级：搭载蓝牙模块，实现远程控制与数据传输；构建多传感器阵列，适配复杂弯道与岔路跑道。
Arduino智能小车作为自动驾驶技术的入门载体，具有广阔的教育与研究价值。未来，可进一步结合人工智能算法，探索更高级的自主导航技术，为智能设备的研发奠定基础。
参考文献
[1] Arduino Official Team. Arduino UNO R3 User Manual[Z]. 2023.
[2] 吕栋腾. 智能检测技术与应用[M]. 西安：西北大学出版社, 2024.
[3] 张晓东. 基于Arduino的智能循迹小车设计与实现[J]. 电子制作, 2022, (08): 45-47.
[4] 教育部基础教育课程教材发展中心. 普通高中综合实践活动课程指导纲要[Z]. 2017.
附录：
实验场景记录
实验过程
数据记录
原始数据
