Einfacher Linienfolger-Roboter mit Arduino Uno bauen

Ein einfacher Linienfolger-Roboter mit Arduino Uno ist eines der beliebtesten Einstiegsprojekte in die Robotik – und das aus gutem Grund: Sie verbinden Elektronik, Mechanik und Programmierung in einem überschaubaren System, das sofort sichtbare Ergebnisse liefert. Ein Linienfolger (auch „Line Follower“) erkennt eine dunkle Linie auf hellem Untergrund (oder umgekehrt) und steuert seine Motoren so, dass er der Spur folgt. Dabei lernen Sie zentrale Grundlagen, die in vielen Robotikprojekten wiederkommen: Sensorik verstehen, Signale auswerten, Motoren ansteuern, Stromversorgung stabil halten und den Code so strukturieren, dass der Roboter schnell und zuverlässig reagiert. Gerade mit dem Arduino Uno ist das Projekt ideal, weil es eine enorme Community, bewährte Bibliotheken und eine große Auswahl kompatibler Motor- und Sensor-Module gibt. Gleichzeitig ist der Linienfolger nicht nur „Spielerei“: Das Prinzip entspricht in vereinfachter Form dem, was in Industrieanlagen und autonomen Fahrzeugen als Spur- oder Kantenverfolgung genutzt wird. In diesem Artikel erfahren Sie Schritt für Schritt, welche Bauteile Sie benötigen, wie die Verdrahtung sicher gelingt, welcher Code für ein stabiles Fahrverhalten sorgt und wie Sie typische Fehler (Zittern, Ausbrechen, Resets) systematisch beheben. Ziel ist ein Projekt, das für Einsteiger verständlich bleibt, aber genügend Tiefe bietet, um es später zu optimieren – zum Beispiel mit besserer Regelung, mehr Sensoren oder sauberer Kalibrierung.

So funktioniert ein Linienfolger-Roboter grundsätzlich

Ein Linienfolger besteht aus drei Hauptbereichen: Sensoren (sehen die Linie), Steuerung (wertet aus und entscheidet) und Antrieb (setzt die Entscheidung in Bewegung um). Am häufigsten werden Infrarot-Reflexionssensoren eingesetzt. Diese senden IR-Licht aus und messen, wie stark es vom Untergrund reflektiert wird. Weiß reflektiert meist stark, Schwarz deutlich weniger. Daraus entsteht ein Messwert, den der Arduino Uno in „Linie links“, „Linie mittig“ oder „Linie rechts“ übersetzt. Anschließend regelt er die Motoren so, dass der Roboter wieder zur Linie zurückfindet.

• Sensorik: IR-Reflexion erkennt Kontrast zwischen Linie und Untergrund.
• Logik: Schwellenwerte oder Regelalgorithmen bestimmen die Richtungskorrektur.
• Antrieb: Zwei Motoren (Differentialantrieb) ermöglichen Links-/Rechtskurven durch unterschiedliche Geschwindigkeit.

Wenn Sie das Arduino-Grundprinzip (Ein- und Ausgänge, PWM, analogRead) auffrischen möchten: Arduino Learn – Grundlagen und Tutorials.

Materialliste: Das brauchen Sie für den Einstieg

Für einen einfachen Linienfolger-Roboter reichen wenige, gut verfügbare Komponenten. Achten Sie besonders auf die Stromversorgung: Motoren ziehen deutlich mehr Strom als der Arduino Uno und verursachen Spannungseinbrüche, wenn sie schlecht versorgt werden.

• Arduino Uno (oder kompatibles Board)
• Chassis (2WD) mit zwei DC-Getriebemotoren, Rädern und ggf. Kugelrolle
• Motor-Treiber (z. B. L298N oder TB6612FNG als effizientere Alternative)
• Liniensensor: mindestens 2 Sensoren, besser 3–5 als Sensorleiste (IR-Reflexion)
• Batterie/Akku: je nach Motoren, z. B. 4×AA NiMH oder 2S LiPo mit passendem Regler
• Spannungsregler/Step-Down (falls Sie aus höherer Spannung stabile 5V erzeugen)
• Jumper-Kabel, Schraubklemmen oder Steckverbinder
• Optional: Ein/Aus-Schalter, LED, Piezo-Buzzer für Statusmeldungen

Für Motor-Treiber und deren Wirkprinzip ist eine gute Referenz: Motorsteuerung-Grundlagen (Adafruit Motor Shield). Auch wenn es ein Shield ist, sind die Konzepte (PWM, Richtung, Versorgung) identisch.

Sensorwahl: 2 Sensoren oder Sensorleiste?

Die Sensoren bestimmen, wie „intelligent“ der Roboter die Spur interpretieren kann. Zwei Sensoren sind der Minimalansatz: links und rechts. Damit fährt der Roboter zickzackartig, weil er erst reagiert, wenn ein Sensor die Linie verliert. Eine Sensorleiste mit 3–5 Sensoren liefert feinere Informationen und ermöglicht ruhigeres, schnelleres Fahren.

• 2 Sensoren: günstig, simpel, gut für den ersten Aufbau; eher ruckelig.
• 3 Sensoren: klarer Mittelpunkt; Roboter kann besser „zentrieren“.
• 5+ Sensoren: bessere Kurvenerkennung, höhere Geschwindigkeit, bessere Regelung möglich.

Analog oder digital: Was ist besser?

Viele Liniensensor-Module bieten digitale Ausgänge mit Potentiometer (Schwellwert). Das ist praktisch, aber in wechselndem Licht weniger stabil. Analoge Sensorleisten liefern kontinuierliche Werte, die Sie im Code kalibrieren und robust filtern können. Für Einsteiger funktionieren digitale Module gut, wenn die Strecke gleichmäßig beleuchtet ist.

Motor-Treiber verstehen: Warum Sie keine Motoren direkt am Arduino betreiben

Der Arduino Uno kann keine Motoren direkt treiben: Pins liefern zu wenig Strom, und Motoren erzeugen Störimpulse. Ein Motor-Treiber (H-Brücke) übernimmt die Leistung und schützt die Steuerung. Er ermöglicht zwei Richtungen pro Motor und die Drehzahlregelung über PWM.

• Richtung: pro Motor typischerweise zwei Steuereingänge (IN1/IN2).
• Geschwindigkeit: PWM-Eingang (ENA/ENB oder PWM-Pins am Treiber).
• Versorgung trennen: Motorversorgung (Vmotor) und Logikversorgung (5V) unterscheiden.

Grundlagen zu PWM auf Arduino-Seite finden Sie hier: Arduino PWM/Analog Output.

Stromversorgung: Der Schlüssel für einen stabilen Linienfolger

Viele Linienfolger scheitern nicht an Sensoren oder Code, sondern an der Versorgung. Motoren ziehen beim Anfahren und bei blockierten Rädern hohe Ströme. Das kann die 5V-Schiene so weit einbrechen lassen, dass der Arduino neu startet. Eine saubere Versorgung ist daher Pflicht.

• Motoren separat versorgen: Motor-Treiber an Akku/Batterie, Arduino über stabile 5V (Regler) oder getrennte Versorgung.
• Gemeinsame Masse: GND von Arduino und Motor-Treiber muss verbunden sein, sonst funktionieren Signale nicht zuverlässig.
• Pufferkondensator: ein größerer Elko nahe am Motor-Treiber (z. B. 470–1000 µF) hilft gegen kurze Einbrüche.
• Kabelführung: Motorleitungen kurz, Signalleitungen getrennt von Motorleitungen führen.

Wenn Sie tiefer in stabile Verkabelung einsteigen möchten, ist diese Einführung hilfreich: Pololu – Motor Driver und Power Tips.

Mechanischer Aufbau: So positionieren Sie Sensoren und Chassis

Die Mechanik entscheidet, ob Sensorwerte „lesbar“ sind. Sensoren müssen nah genug am Boden sein, aber nicht schleifen. Außerdem sollte der Roboter möglichst stabil fahren: Wackeln und Vibrationen verschlechtern Messungen.

• Sensorhöhe: häufig 5–15 mm über dem Boden (abhängig vom Sensor); gleichmäßiger Abstand ist wichtiger als „perfekt niedrig“.
• Sensorposition: vorn am Chassis, sodass der Roboter früh auf Kurven reagiert.
• Spurbreite: Linie sollte zur Sensoranordnung passen; zu dünne Linien sind schwieriger.
• Gewichtsverteilung: Akku möglichst tief und mittig, damit Räder Grip behalten.

Verdrahtung: Typischer Anschlussplan ohne unnötige Komplexität

Ein praxistaugliches Verdrahtungskonzept für Einsteiger nutzt einen Motor-Treiber mit zwei Motoren, dazu eine Sensorleiste mit drei digitalen Signalen (links, mitte, rechts). Die genaue Pinwahl ist flexibel, wichtig ist nur: PWM-Pins für Geschwindigkeit und digitale Pins für Richtung.

• Motor A: IN1, IN2 (Richtung) + PWM/ENA (Geschwindigkeit)
• Motor B: IN3, IN4 (Richtung) + PWM/ENB (Geschwindigkeit)
• Sensor links/mittig/rechts: digitale Eingänge am Arduino, optional mit INPUT_PULLUP (je nach Modul)
• GND: Arduino GND und Treiber GND verbinden
• Versorgung: Motorversorgung zum Treiber, stabile 5V zum Arduino (oder USB beim Testen)

Hinweis: Ob Sie INPUT_PULLUP verwenden können, hängt vom Sensormodul ab (aktive High/Low Logik). Prüfen Sie am besten kurz, wie das Modul schaltet, bevor Sie alles fest verdrahten.

Die Strecke: So bauen Sie eine Linie, die zuverlässig funktioniert

Für reproduzierbare Ergebnisse braucht der Roboter eine klare, kontrastreiche Strecke. Ideal ist schwarzes Isolierband auf weißem Karton oder weißes Band auf dunklem Untergrund. Entscheidend ist, dass der Kontrast für die Sensoren deutlich ist und die Oberfläche nicht stark glänzt.

• Untergrund: matt, nicht spiegelnd
• Linienbreite: etwa so breit wie der Abstand zwischen den äußeren Sensoren (bei 3 Sensoren häufig 15–25 mm)
• Kurven: zuerst große Radien, später engere Kurven testen
• Kreuzungen: erst später einbauen, wenn Grundverfolgung stabil läuft

Steuerlogik: Von „Wenn-Dann“ zur ruhigen Fahrt

Der einfachste Linienfolger arbeitet mit logischen Regeln: Wenn die Linie links ist, lenkt er nach links; wenn rechts, nach rechts; wenn mittig, fährt er geradeaus. Das ist schnell umgesetzt und für den Einstieg ideal. Für ein ruhigeres Fahrverhalten wird später oft eine Regelung (z. B. proportional) genutzt, die die Motorgeschwindigkeit fein anpasst.

Einfacher Regelansatz mit drei Sensoren

• Nur Mitte erkennt Linie: geradeaus
• Links erkennt Linie: nach links korrigieren (linker Motor langsamer, rechter schneller)
• Rechts erkennt Linie: nach rechts korrigieren
• Kein Sensor erkennt Linie: zuletzt bekannte Richtung suchen oder kurz anhalten

Kalibrierung: Der Schritt, der den Unterschied macht

Selbst bei digitalen Sensoren ist eine Kalibrierung sinnvoll. Lichtverhältnisse, Bodenmaterial und Bandfarbe verändern die Reflexion. Wenn Ihr Modul Potentiometer hat, stellen Sie sie nicht „nach Gefühl“ ein, sondern systematisch: Legen Sie den Sensor über den Untergrund und über die Linie und prüfen Sie die Umschaltpunkte. Bei analogen Sensoren ist Kalibrierung noch wichtiger: Sie speichern Minimal- und Maximalwerte und leiten daraus Schwellen oder normierte Werte ab.

• Kontrast messen: Werte über Linie und Untergrund vergleichen.
• Schwellenwert: so wählen, dass Reserve zu beiden Seiten bleibt.
• Stabilität: bei wechselndem Licht ggf. Abschirmung oder feste Beleuchtung nutzen.

Fehlersuche: Wenn der Linienfolger zittert, ausbricht oder stehen bleibt

Typische Probleme lassen sich meist auf wenige Ursachen zurückführen. Wenn Sie strukturiert vorgehen, finden Sie den Fehler schnell.

• Roboter zittert: Korrektur zu aggressiv, Sensorposition ungünstig, Linie zu schmal → Geschwindigkeit reduzieren, Korrekturwerte kleiner wählen, Sensorhöhe prüfen.
• Roboter fährt dauerhaft weg: Sensorlogik invertiert (schaltet auf Schwarz/Weiß anders als gedacht) → Sensorwerte prüfen und Bedingungen umdrehen.
• Roboter verliert Linie in Kurven: Sensorleiste zu weit hinten oder zu wenig Sensoren → Sensor nach vorn, mehr Sensoren oder größere Radien.
• Arduino resettet: Versorgung bricht ein → Motorversorgung trennen, Pufferkondensator, besseren Regler nutzen.
• Motoren laufen ungleich: unterschiedliche Getriebe oder Reibung → PWM-Kompensation (Kalibrierfaktor pro Motor) einführen.

Optimierungen: So wird aus dem Einsteigerprojekt ein guter Roboter

Wenn der Linienfolger grundsätzlich funktioniert, sind die nächsten Schritte besonders lehrreich. Sie verbessern nicht nur die Leistung, sondern auch Ihr Verständnis für Regelung und robuste Embedded-Systeme.

• Geschwindigkeitsprofil: auf Geraden schneller, in Kurven langsamer.
• Proportionale Regelung: statt starrer „Links/Rechts“-Sprünge den Fehler (Abweichung) als kontinuierlichen Wert behandeln.
• Mehr Sensoren: 5 oder 8 Sensoren ermöglichen feinere Positionsbestimmung.
• Entprellung/Filter: Sensorwerte glätten, um Flackern zu vermeiden.
• Watchdog: für Projekte, die lange laufen sollen, kann ein Watchdog Timer gegen Hänger helfen.

Wenn Sie später Richtung Regelung gehen, lohnt ein Blick auf grundlegende Reglerkonzepte: PID-Regler – Prinzip und Anwendungen. Für einen einfachen Linienfolger reicht oft schon ein proportionaler Anteil.

Sicherheit und gute Praxis: Was Sie vermeiden sollten

• USB als Dauer-Motorversorgung: USB ist für Motorströme ungeeignet; nutzen Sie ein separates Netzteil oder Akku.
• Gemeinsame Masse vergessen: ohne gemeinsames GND funktionieren Signale nicht zuverlässig.
• Motoren ohne Schutz: Induktivitäten erzeugen Spannungsspitzen; Treiber und Freilaufdioden sind wichtig.
• Zu lange Jumperkabel: erhöhen Störungen; auf kurze, saubere Verdrahtung achten.

Weiterführende Quellen

• Arduino Learn: Grundlagen für Ein- und Ausgänge, Sensorik und PWM
• Arduino PWM/Analog Output: Drehzahlregelung für Motoren
• Motorsteuerung mit Arduino: Konzepte und Beispiele
• Pololu: Tipps zu Motorversorgung und stabiler Verdrahtung
• Regelungstechnik: PID-Regler als nächster Schritt zur Optimierung

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