Secondo la mia scheda tecnica, ognuno di quei diodi dà una caduta di tensione di 0,7 V a salire. A questo punto, tanto vale prelevare 4,5 V fra la massa e la terza pila.
Ma poi la tensione non dipende dal carico applicato? Non ho solo l'ATMega, ma anche qualche integrato, qualche led, un LCD 16x2, una tastiera 4x4, varie resistenze, ecc...
Con 4 motori da 300mA ciascuno avrai sicuramente problemi di autonomia con batteria AA alcaline che al massimo possono erogare da 1800 a 2600 mAh con 500mA di assorbimento costante.
Inoltre i disturbi dei motori e le cadute di tensione delle pile nel momento di massimo assorbimento possono causare anomalie di funzionamento ad Arduino.
Ti conviene usare una batteria al Piombo ricaricabile da 6V 7.2Ah (circa € 10).