循迹小车：用红外/灰度传感器让小车自己沿黑线跑

桌上铺一张白纸，用黑色电工胶带贴一条弯弯曲曲的线。小车放上去，一通电，它就顺着这条线自己走——拐弯、绕圈、回到起点，全程没人碰它。这是我见过最能让初学者眼睛发亮的项目，比闪个 LED、转个电机都更有"它活了"的感觉。

这一篇就带你把它做出来。前提是你已经能让两个轮子各自正反转、调速——也就是 差速底盘 那一篇的内容。循迹小车说穿了，就是在差速底盘上加一双"眼睛"，让它知道黑线在左边还是右边，然后决定哪个轮子快、哪个轮子慢。运动函数我们直接复用，不重写。

红外传感器为什么能看见黑线

先说"眼睛"是怎么回事。最常用的是 TCRT5000 这种红外反射式传感器，一个模块上挤着两颗东西：一颗红外发射管（往下打不可见光），一颗红外接收管（收反射回来的光）。

关键在地面的反射率差异。白纸反光强，发出去的红外大部分弹回来，接收管收到很多光；黑线吸光，反射回来的少，接收管几乎收不到。Vishay 的 TCRT5000 数据手册 里给的最佳工作距离是 2.5mm 左右，反射率高低直接决定输出电流——这就是黑白能被分开的物理根源。

模块给你两种输出，搞清楚区别很重要：

• 数字量（DO）：模块上一般带个电位器，你手动拧一个阈值。反射强过阈值输出低电平（看到白），弱于阈值输出高电平（看到黑）。读起来就是 digitalRead()，非黑即白，简单。
• 模拟量（AO）：直接给你反射强度的连续电压，用 analogRead() 读到 0~4095（ESP32 是 12 位 ADC）的数。白纸读数高、黑线读数低，中间还有灰度过渡。

入门我建议先用数字量跑通逻辑，简单不烧脑。等你想做平滑跟线了，再切模拟量——后面比例控制那段就靠它。模拟量的读法和坑，可以顺便看 模数转换 ADC 和 数字量与模拟量 两篇打底。

传感器布局：几路够用

传感器不是越多越好，但太少会瞎。常见配置：

• 2 路：一左一右骑在线两侧。线偏左了左边那颗压到黑线，就往左修。能跑，但中间是盲区，直线段容易左右画龙。
• 3 路：左、中、右。中间那颗负责"我正压在线上"，两侧负责"我偏了"。这是入门最划算的方案，本文就用它。
• 5 路：左、中左、中、中右、右。能判断偏移的程度（偏一点还是偏很多），是做比例/PID 控制的标配。

三颗传感器横向排开，间距比黑线略宽一点（黑线常用 18mm 胶带，传感器间距 15~25mm 比较合适），装在车头底部。

第一版：3路 if-else 开关式循迹

逻辑用大白话讲就是：中间压着线就直走，线跑到左边去了就左转把它追回来，跑到右边就右转。三颗传感器八种组合，但常用的就那么几种。

假设传感器数字量接法是：压到黑线读 HIGH（1），白纸读 LOW（0）。注意——这个高低关系一定要先实测确认，不同模块、不同接法可能正好相反，后面标定那节会讲怎么验。

// 循迹小车 v1：3路红外 + 差速底盘 if-else 开关式
// 引脚示意，以你的实际接线为准

const int IR_LEFT  = 32;   // 左传感器 DO
const int IR_MID   = 33;   // 中传感器 DO
const int IR_RIGHT = 34;   // 右传感器 DO

// setMotors(左轮速, 右轮速)，范围 -255~255，正为前进
// 这个函数在「差速底盘」那篇已经写好，这里直接复用，不重复贴
extern void setMotors(int left, int right);

const int SPEED_FWD  = 160;   // 直行基准速度
const int SPEED_TURN = 110;   // 转弯时慢的那一侧

void setup() {
  pinMode(IR_LEFT,  INPUT);
  pinMode(IR_MID,   INPUT);
  pinMode(IR_RIGHT, INPUT);
  // GPIO34 在 ESP32 上是仅输入引脚，且无内部上拉，模块自带输出即可
  // 仅输入引脚的细节见 ESP32 GPIO 文档
}

void loop() {
  int L = digitalRead(IR_LEFT);    // 1 = 压到黑线
  int M = digitalRead(IR_MID);
  int R = digitalRead(IR_RIGHT);

  if (M == 1 && L == 0 && R == 0) {
    // 只有中间压线：正对线，直走
    setMotors(SPEED_FWD, SPEED_FWD);
  } else if (L == 1) {
    // 左边压到线：车身偏右了，往左修
    setMotors(SPEED_TURN, SPEED_FWD);
  } else if (R == 1) {
    // 右边压到线：车身偏左了，往右修
    setMotors(SPEED_FWD, SPEED_TURN);
  } else {
    // 三颗都没压线：冲出线了，原地慢转找线（这里假设上次往右丢的）
    setMotors(-SPEED_TURN, SPEED_TURN);
  }

  delay(5);   // 给一点采样间隔，别空转太狠
}

这版能跑，弯不太急的赛道它就老老实实沿线走了。但你盯着看一会儿会发现一个毛病：它不是平滑地跟线，而是"左一下、右一下"地抖着走，像喝多了。弯急一点甚至会冲出去。

为什么？因为开关式控制只有三档——要么全速直行，要么固定速度猛转。它不知道"我只偏了一点点"和"我偏得很厉害"的区别，每次修正都用同样的力度，于是修过头、再修回来，来回振荡。

第二版：加权误差 → 比例调速

要让它平滑，核心思路是：偏得越多，修得越狠；偏一点点，轻轻带一下。这就是比例控制的雏形。

第一步，把"偏在哪"量化成一个数字——误差。给三颗（这里演示 5 路更直观，3 路同理）传感器各赋一个位置权重，左为负、右为正，中间为零，按谁压到线加权平均：

// 循迹小车 v2：加权误差 + 比例调速（5路示意，模拟量读法）
const int IR_PINS[5] = {32, 33, 34, 35, 36};
const int WEIGHTS[5] = {-2, -1, 0, 1, 2};   // 位置权重

const int BASE_SPEED = 150;
const float KP = 40.0;   // 比例系数，自己调

int threshold[5];        // 每颗传感器的黑白分界，标定后填入

void loop() {
  long weightedSum = 0;
  int  active = 0;

  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    int v = analogRead(IR_PINS[i]);
    if (v < threshold[i]) {        // 假设黑线读数低于阈值
      weightedSum += WEIGHTS[i];
      active++;
    }
  }

  float error = (active > 0) ? (float)weightedSum / active : 0;
  // error: 负=偏右需左修, 正=偏左需右修, 0=正对

  int correction = (int)(KP * error);
  int leftSpeed  = BASE_SPEED + correction;
  int rightSpeed = BASE_SPEED - correction;

  setMotors(constrain(leftSpeed, -255, 255),
            constrain(rightSpeed, -255, 255));
  delay(3);
}

error 是连续的：偏一点 error 小、修正轻；偏很多 error 大、修正猛。KP 这个系数决定脾气——调大了反应快但容易振荡，调小了温吞但稳。先从小往大试。

这版已经明显比 if-else 顺滑了。但你会发现 KP 调大就抖、调小就追不上急弯，怎么都不完美。这是因为纯比例控制天生有这个矛盾——它只看"现在偏多少"，不看"偏的趋势"。要彻底解决，得加上微分和积分项，也就是完整的 PID。那是单独一篇的内容，循迹 PID 控制 接着往下讲。

标定阈值：这一步偷懒一定翻车

代码里那个 threshold（或数字量模块的电位器）不是拍脑袋定的，得实测。方法很笨但有效：

1. 把传感器固定到正常离地高度，写个小程序循环 analogRead 并打印。
2. 让传感器对着白纸，记下读数（比如 3200 上下）。
3. 移到黑线上，再记一遍（比如 600 上下）。
4. 阈值取中间值，比如 (3200 + 600) / 2 = 1900。每颗单独标，因为它们个体有差异。

顺便用这一步确认黑白的高低方向——到底是黑线读数高还是白纸读数高，别想当然。数字量模块同理：拧电位器，让它的指示灯在白纸上灭、黑线上亮（或反过来），调到临界点再回退一点。

两个常被忽略的物理量：

• 离地高度：TCRT5000 这类传感器对距离敏感，太高反射弱、信号糊，太低又容易蹭地。210mm 是合理区间，46mm 通常最稳。装好后用上面的方法验一下黑白读数差够不够大（差几百以上才靠谱）。
• 环境光：阳光、强射灯里都有红外成分，会污染接收管。尽量在室内常态光下跑，传感器加个遮光罩能改善不少。

安全提醒一句：电机和主控的供电要分开。电机启停瞬间拉低电压，容易把主控干复位，循迹时表现就是"莫名其妙重启、乱走"。差速底盘那篇讲过的供电分离，这里照办。

你应该看到什么

接好线、标定完阈值、传给小车，正常的话：

• 放到线上一通电，小车稳稳地沿黑线往前走，中间传感器基本一直压着线。
• 遇到弯道，它会减一侧轮速自然地拐过去，不脱线。
• v1（if-else）会有可见的左右小抖动，这正常；v2（比例）明显顺滑很多。
• 万一冲出线，三颗都读白，它会按你写的找线逻辑原地慢转，把线找回来。

如果不是这样，对着下面的表排查。

故障排查

现象	多半的原因	怎么办
一上来就冲出线、不跟线	黑白判断方向反了（HIGH/LOW 接反）	重新标定，确认压黑线时读到的电平/读数，对应改 if 条件
抖动剧烈、来回画龙	if-else 开关式的固有毛病，或 KP 太大	降基准速度；v2 里调小 KP；想根治上 PID
黑白完全认不出	离地太高/太低，或阈值没标	调到 4~6mm，重新标定，确认黑白读数差几百以上
某一路始终不响应	那颗传感器接线松、引脚选错（如用了仅输出脚做输入）	单独打印这一路读数；ESP32 上 GPIO34~39 仅输入，别误当输出脚
室内好好的，到窗边就乱	阳光红外干扰	远离强光，加遮光罩，或改用抗干扰更好的模块
走着走着主控重启	电机和主控共电，启停掉压	电源分离，电机供电单独走

两个进阶变体

变体一：升到 5 路，跟线更稳。 三路只能分辨"偏没偏"，五路能分辨"偏多少"——这正是比例/PID 控制的弹药。v2 代码已经按 5 路写了，把权重数组和阈值标定铺满五颗即可。急弯赛道上五路的优势非常明显。

变体二：处理十字路口。 如果赛道有交叉，某一刻会出现三颗（或五颗）同时压到黑线的情况。开关式逻辑里没处理这个，小车会懵。简单做法：检测到"全压线"就判定为路口，按预设规则走（比如恒定直行通过，或读一个计数器决定第几个路口左转）。这是从"只会跟线"迈向"会走迷宫"的第一步。

动手挑战

用黑胶带在白纸或白色 KT 板上，贴一条闭合的赛道——带至少两个不同角度的弯，首尾接成一圈。目标：让你的小车从任意位置出发，不脱线地跑完完整一圈回到起点。

先用 v1 跑通，再换 v2，亲手感受两者过弯时的差别。如果急弯总冲出去，别急着怪代码，先回去查离地高度和阈值——八成是"眼睛"没看清，不是"脑子"不会算。

小结

循迹小车把"传感器输入 → 控制决策 → 电机输出"这条机器人最核心的闭环，浓缩进了一个看得见摸得着的小项目。你应该已经体会到：从 if-else 开关式到比例调速，跟线一步步变平滑，背后是同一个问题——"偏了多少，该修多狠"——被回答得越来越精细。

但循迹只是让小车沿着既定的线走，它还不会"看见前面有东西"。下一步给它装上能感知前方障碍的传感器，让它学会停下、绕开——避障小车 接着讲。想把跟线做到极致顺滑的，直接奔 循迹 PID。更多机器人项目在 机器人专题。