PID-gesteuerter Linienfolger-Roboter (Kit) – Arduino UNO, 5-Kanal-IR, Aluminium-Chassis

Komponenten & Bausatz

KittenBot Eloxiertes Aluminium-Chassis	×1
KittenBot RosBot Baseboard (Arduino UNO Basis mit 2× H-Brücke onboard)	×1
KittenBot Kugelrad-Set (Metallkugel)	×1 Paar
KittenBot Gummireifen mit Motorhalterung	×1 Paar
KittenBot 5-Kanal IR-Linienverfolger-Sensor	×1
DC-Motoren (im Chassis-Set enthalten)	×2
9V-Blockbatterie	×1
Arduino UNO (steckt auf RosBot Baseboard)	×1

Software

• Arduino IDE

Projektübersicht

Ein robuster Linienfolger-Roboter, der PID-Regelung auf spielerische Weise vermittelt. Das Besondere: Das RosBot Baseboard integriert zwei H-Brücken-Motortreiber – kein separater Motortreiber-Shield nötig. Der 5-Kanal-IR-Sensor liefert präzise Positionsdaten für den PID-Algorithmus.

Hardware-Merkmale

• Chassis: Eloxiertes Aluminium, viele Montagelöcher (4,8mm, LEGO Technic kompatibel) – wiederverwendbar für andere Projekte.
• RosBot Baseboard: Arduino UNO Formfaktor, 2× H-Brücke (STN1110?), liefert mehr Strom als UNO-Pins direkt.
• 5-Kanal-IR-Sensor: 5 Infrarot-Detektoren, höhere Auflösung & Stabilität als 2-3 Kanal Sensoren.

Schritt 1: Mechanischer Aufbau (ca. 15 Min)

1. Motoren an Chassis-Seiten montieren, Gummireifen aufstecken.
2. 5-Kanal-IR-Sensor vorne am Chassis befestigen (näher am Boden = bessere Erkennung).
3. RosBot Baseboard auf Chassis schrauben.
4. Kugelrad hinten als Stützrad einbauen.

Schritt 2: Verkabelung

5-Kanal-IR-Sensor → RosBot Baseboard

• VCC → 5V
• GND → GND
• T1–T4 → A0–A3
• T5 → SDA (A4)

Motoren

• Motor A → A+/A-
• Motor B → B+/B-

Stromversorgung: 9V-Batterie an Baseboard-Vin (oder USB für Test).

Schritt 3: Software – PID-Regelung

Zustandsmaschine (Sensor-Auswertung)

Die 5 Sensoren liefern ein 5-Bit-Muster (z. B. B00100 = Mitte auf Linie). Jedes Muster wird einem bias-Wert (-2 … +2) zugeordnet, der die Abweichung von der Linienmitte darstellt.

void stateMachine(int sensorPattern) {
  switch (sensorPattern) {
    case B00000: case B11111: outlineCnt++; break; // Linie verloren
    case B00010: case B00110: bias =  1; break; // leicht rechts
    case B00001: case B00011: bias =  2; break; // stark rechts
    case B00100:              bias =  0; break; // mittig
    case B01000: case B01100: bias = -1; break; // leicht links
    case B10000: case B11000: bias = -2; break; // stark links
    default: outlineCnt++; break;
  }
  // NeoPixel-Statusanzeige (optional)
  // ...
}

PID-Implementierung

float Kp = 25, Ki = 0.15, Kd = 1200;
float error = 0, errorLast = 0, errorInte = 0;

float calcPID(float input) {
  error = error * 0.7 + input * 0.3; // Tiefpass-Filter
  float errorDiff = error - errorLast;
  errorInte = constrain(errorInte + error, -50, 50); // Anti-Windup
  float output = Kp * error + Ki * errorInte + Kd * errorDiff;
  errorLast = error;
  return output;
}

Haupt-Loop

void loop() {
  delay(5);
  int pattern = readSensorArray(); // Liest 5 Analogwerte, Schwellenwert -> Bitmuster
  stateMachine(pattern);
  
  if (outlineCnt > 10) { // Linie verloren -> Stop
    setMotorSpeed(0, 0);
  } else {
    float baseSpeed = 150;
    float correction = calcPID(bias);
    setMotorSpeed(baseSpeed - correction, baseSpeed + correction);
  }
}

PID-Parameter abstimmen

1. Kp (Proportional): Erhöhen bis Robot oszilliert, dann halbieren.
2. Kd (Differenziell): Erhöhen um Oszillation zu dämpfen.
3. Ki (Integral): Klein halten, nur für stationäre Abweichung (z. B. ungleiche Motoren).
4. Serieller Plotter nutzen: Serial.print(error); Serial.print(' '); Serial.println(output);

Code-Repository

Vollständiger Sketch & Bibliotheken: GitHub LinefollowRobot

Schaltplan

Im Artikel enthalten (Fritzing-Datei).

Fazit

Ein exzellentes Einstiegs-Kit für mobile Robotik & Regelungstechnik. Durch das integrierte Baseboard entfällt Verdrahtungsaufwand, der Fokus liegt auf Algorithmus-Verständnis. Das Aluminium-Chassis ist langlebig und erweiterbar – ideal für Bildung, Wettbewerbe oder als Plattform für komplexere autonome Roboter.