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学习指南 / 从机制入手

重在理解而非死记的机器人教程

聚焦的指南，把理论与真实的算法、电路决策或交互式模拟器联系起来。每篇都自成一体，并链接到可以亲手尝试的实验台。

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8051 3Algorithms 6Arduino 17Autonomous Robots 1Autonomy 6Calibration 8Communication 2Computer Vision 1Control Systems 11Coordinate Frames 1Design Decisions 1Drivetrains 1Electronics 7Encoders 3ESP32 2Filtering 1Firmware 2Grasping 4Holonomic Drive 3I2C 2IMU 3Kinematics 6Lidar 1Line Following 1Mapping 1Mechanical Design 9Microcontrollers 4Middleware 1Mobile Robots 14Motion Control 1Motion Planning 1Motor Control 9Motors 6Navigation 5Obstacle Avoidance 1Odometry 5OpenCV 1Path Planning 6PID 3PID Control 1Pose Estimation 1Power 3Precision Motion 3PWM 3Raspberry Pi 1Robot Arms 6Robot Software 4ROS 2 5Sensors 19Servos 3Setup 1SLAM 1State Machines 2Stepper Motors 5Teleoperation 1TF2 1Tuning 1Ultrasonic 1Wireless 2Wiring 1

中级 · 35 分钟

步进电机工作原理：滞后角与丢步

滞后角就是步进电机行为的全部。把它弄懂一次，丢步就不再神秘。

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中级 · 25 分钟

摩擦、力封闭，以及为什么两点接触是一场赌博

为什么无论夹得多紧，物体还是会被挤飞出去，以及摩擦锥到底说明了什么。

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中级 · 阅读约 35 分钟

一个经得起失败的拾取与放置状态机

接近、抓取、验证、抬起、放置——以及当验证结果为否时该怎么办。

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入门 · 阅读约 30 分钟

机器人夹爪类型，以及如何确定夹持力

先选定夹爪类型，再把人人都会忘记的那一项——加速度——算进去，确定所需的夹持力。

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中级 · 30 分钟

舵机夹爪的夹持力、堵转，以及为什么柔顺更胜一筹

你拧的旋钮是位置，两堵墙是力，而刚度就是二者之间的汇率。

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中级 · 25 分钟

场地坐标驾驶：让“前进”真正意味着前进

把摇杆向量旋转负的航向角，机器人就不再和驾驶员对着干了。

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入门 · 25 分钟

全向驱动对比：全向轮、麦克纳姆轮与舵轮

四种底盘，三个自由度，以及每种方案为此向你收取的代价。

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中级 · 阅读约 35 分钟

麦克纳姆轮运动学：四个轮子，三个运动轴

一个 45° 的滚子就能给出整个矩阵——外加一个没人用的第四个方程。

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中级 · 35 分钟

用编码器实现车轮速度的闭环控制

前馈负责主要工作，积分负责收尾，机器人终于能走直线了。

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入门 · 30 分钟

A4988 接线与 Vref：设定步进电机限流

决定步进电机是正常工作还是烧毁的那一项调节：用万用表设定 Vref。

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中级 · 30 分钟

用限位开关回零：机器坐标与工件坐标

为什么每台 CNC 机器开机都要先撞一下限位开关，以及它设定的那个数值到底意味着什么。

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入门 · 25 分钟

每毫米步数：皮带、丝杠与分辨率

一个数字把脉冲和毫米联系起来。先推导出它，再用实测来验证。

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入门 · 阅读约 20 分钟

制作循迹机器人：从传感器到 PID 转向

从红外反射传感器到加权误差，再到平滑的 PID 转向——循迹机器人究竟是如何工作的。

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中级 · 45 分钟

从 cmd_vel 到轮速：ROS 2 差速驱动

把 Twist 消息换算成左右两个轮子的速度——运动学、饱和、死区以及看门狗。

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中级 · 阅读约 14 分钟

用红外传感器阵列检测线迷宫中的路口

用反射阵列区分 T 型路口、十字路口、左转、右转、死胡同和终点，并解决有歧义的情况。

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中级 · 阅读约 20 分钟

用车轮编码器实现差速驱动里程计

把左右轮的运动积分成移动机器人的位姿，再识别并标定漂移。

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中级 · 阅读约 16 分钟

Micromouse 机器人的洪水填充迷宫求解

洪水填充如何把一个部分已知的迷宫变成距离场，让机器人顺着它一路下降到目标。

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高级 · 阅读约 22 分钟

二连杆机器人手臂的逆运动学求解

二连杆臂为什么有两组解，它能到达哪里、到不了哪里，以及奇异点到底是什么。

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入门 · 22 分钟

机器人避障算法：感知、扫描、决策、转向

让机器人自主避开障碍物的“感知—扫描—决策—转向”循环。

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入门 · 20 分钟

读取 HC-SR04 超声波传感器：用代码测出可靠距离

借助超时和中值滤波，把发射与回波变成稳定的厘米级距离读数。

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入门 · 20 分钟

读取用于循迹的红外反射传感器阵列

把一排红外传感器的读数变成一个平滑的线位置，用它来控制转向。

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入门 · 阅读约 17 分钟

机器人中的传感器噪声、偏置与滤波

噪声、偏置与漂移的区别，如何选择滤波器而不过度平滑，以及传感器融合能做什么、不能做什么。

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入门 · 18 分钟

用舵机带动超声波传感器扫描，寻找开阔空间

用舵机带着 HC-SR04 扫一圈，在转弯前找出最通畅的方向。

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入门 · 阅读约 18 分钟

如何整定 PID 控制器：一份实用指南

一套动手整定 P、I、D 增益的顺序，不再靠猜——以及如何实时尝试每一步。

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中级 · 25 分钟

横向误差：衡量路径跟踪得有多好

一个带符号的距离就能说明路径跟踪器的一切——包括该选哪一种。

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中级 · 30 分钟

在户外机器人上实现 GPS 航点导航

GPS 定位数据滞后、有噪声，而且不带航向。本文逐一给出应对办法。

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中级 · 30 分钟

纯跟踪算法：只用一个参数跟随路径

瞄准路径前方的一个点，沿着能到达它的圆弧行驶。整个算法就是这样。

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入门 · 25 分钟

机器人碰撞检测：碰撞传感器与消抖

按下开关一次，触点却跳变九次——而中断会把每一次都如实计数。

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中级 · 30 分钟

覆盖路径规划：让机器人扫遍整个地面

为什么没有地图的机器人，要走七倍的路程才能扫完同一个房间。

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中级 · 25 分钟

机器人能推多大力：取决于附着力与自重

推力由两个天花板决定，而对小型机器人来说，地面几乎总是更低的那一个。

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中级 · 25 分钟

在边缘处停车：响应延迟与制动距离

机器人看到边线后还会冲出多远，以及能让它及时停下的速度是多少。

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入门 · 30 分钟

读取模拟电压：ADC 参考电压与分压电路

analogRead 给出的是比值而不是伏特。先把参考电压选对，分压电阻自然就好配了。

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中级 · 35 分钟

如何选择直流减速电机：扭矩、转速与堵转

算出机器人真正需要的扭矩和转速，再拿这些实际数字去对照数据手册。

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中级 · 30 分钟

机器人减速箱背隙：怎样测量，怎样解决

每个减速箱都有空隙。量出你的减速箱有多大背隙，看看它正在悄悄让你的机器人付出什么代价。

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入门 · 30 分钟

I2C 总线工作原理：地址与上拉电阻

每个传感器页面都写着接好 SDA 和 SCL。本文讲清这两根线到底在做什么。

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入门 · 30 分钟

为什么 delay() 会让机器人失灵：用 millis() 计时

卡在 delay() 里的机器人什么也看不见。用 millis() 取代它，并把计数回绕时的比较写对。

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入门 · 30 分钟

为什么电机一启动，机器人就复位

看起来像代码 bug 的复位，几乎总是电池的问题。先做电流预算，再测量电压跌落。

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中级 · 30 分钟

车轮打滑：里程计为何漂移，又该如何应对

每一篇讲里程计的文章都说打滑会毁掉位置估计。本文讲清打滑到底是什么，以及它的代价。

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入门 · 阅读约 30 分钟

8051 架构：引脚、存储器映射与寄存器

哈佛结构内核、四组端口、256 字节 RAM，以及能按机器周期数出来的时序。

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中级 · 阅读约 15 分钟

面向线迷宫机器人的 LSRB 路径化简

把每次转弯记为 L、S、R 和 B，再把每一段死胡同绕行折叠成最优路线。

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入门 · 阅读约 28 分钟

8051 GPIO 与端口接口：灌电流，别拉电流

为什么 8051 的 LED 要反着接、为什么读引脚之前要先写 1，以及一个端口能驱动多大的负载。

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中级 · 阅读约 35 分钟

用 8051 定时器和软件 PWM 控制电机

用定时器 0 中断搭出 PWM，在频率与分辨率之间做出取舍，并驱动 H 桥。

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中级 · 35 分钟

机器人激光雷达：一次扫描给你什么，又如何变成地图

一次扫描并不是一张快照：采样间隙、运动拖影，以及把测距数据变成地图的射线投射。

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入门 · 阅读约 1 小时

在树莓派上安装 ROS 2 并构建工作空间

选择操作系统，用 apt 安装 ROS 2，构建 colcon 工作空间，让笔记本电脑和机器人连通。

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中级 · 40 分钟

运动曲线规划：梯形与 S 形加减速

给运动加上斜坡，而不是直接下指令——梯形曲线、jerk 限制，以及 S 形曲线真正的代价。

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中级 · 25 分钟

机械臂类型：笛卡尔、SCARA、Delta 与六轴

按工作空间、刚度和速度比较四种构型——以及它们之间的运动学对偶关系。

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入门 · 1 小时

用 HC-05 模块通过蓝牙控制机器人

把 HC-05 与手机配对，通过蓝牙串口遥控机器人，并避开经典的 5 V 接线错误。

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高级 · 2 小时

面向自平衡机器人的级联 PID 控制

两个嵌套的 PID 环：一个负责保持倾角，另一个请求一个倾斜角度，让机器人能开到想去的地方。

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中级 · 1 小时

互补滤波：融合加速度计与陀螺仪数据

只用一行代码，就把噪声大的加速度计和会漂移的陀螺仪融合成一个可信的倾角。

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中级 · 1.5 小时

用 ESP32 网页服务器在浏览器里遥控机器人

直接由 ESP32 提供控制页面，任何浏览器都能用来驾驶机器人——无需安装 App。

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入门 · 45 分钟

从 MPU6050 加速度计与陀螺仪读取倾角

把 MPU6050 的原始计数换算成以度为单位的倾角，并弄明白为什么单靠哪一个传感器都不行。

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中级 · 1.5 小时

迷宫机器人的沿墙行驶与精确转弯

在两面墙之间保持居中，并精确转过 90°——迷宫机器人成败所系的两项技能。

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中级 · 阅读约 18 分钟

用 PCA9685（I²C PWM 驱动器）驱动舵机

设定频率，把角度换算成脉冲宽度，只用两个 I²C 引脚驱动十六个舵机——并做好安全供电与标定。

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中级 · 阅读约 21 分钟

基于占据栅格地图的 A* 路径规划

搭建并验证一个 A* 栅格规划器：安全的启发函数、障碍物膨胀和路线重建。

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中级 · 阅读约 22 分钟

用 OpenCV 做相机标定与 ArUco 位姿估计

标定相机内参，验证重投影误差，估计 ArUco 标记的三维位姿。

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入门 · 阅读约 18 分钟

用 PWM 与 H 桥电路控制直流电机

用 PWM、H 桥和符合实际的电流限制，安全地接线并控制一台有刷直流电机。

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入门 · 阅读约 17 分钟

用有限状态机（FSM）实现机器人行为

用显式的状态、事件、状态迁移、超时和恢复机制，取代纠缠不清的机器人条件判断。

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入门 · 阅读约 17 分钟

读取正交编码器，测出轮子的行驶距离与速度

把正交编码器的脉冲变成可靠的车轮方向、距离和速度测量值。

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入门 · 阅读约 19 分钟

ROS 2 中的节点、话题、服务与动作

选对 ROS 2 的通信模式，并查看各节点之间如何交换机器人数据与指令。

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中级 · 阅读约 20 分钟

面向移动机器人的 ROS 2 TF2 坐标系

从 map 和 odom 经过机器人底座一直到每个传感器，搭建并调试一棵 TF2 坐标系树。

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中级 · 阅读约 21 分钟

SLAM、地图构建、定位与里程计漂移

把里程计、测距感知、建图、定位、扫描匹配、漂移和回环闭合串联起来理解。

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入门 · 阅读约 18 分钟

超声波与飞行时间（ToF）机器人传感器对比

为障碍物检测选择、安装、标定并测试超声波或飞行时间传感器。

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