企业官网建设流程全解析

一、赛题需求深度拆解

1.1 题目核心任务

1. 车体尺寸限制：整车≤35cm×25cm轮式小车，电池独立供电；
2. 执行机构：4分PPR水管改造凹槽摆杆，左端铰接高度≥5cm，摆杆由舵机驱动俯仰倾斜，依靠重力实现Φ1cm钢球左右滚动；水管内壁禁止任何增摩擦改造，违规直接不予测试；
3. 检测规则：小车循迹仅允许使用红外光电传感器，钢球位置必须由摄像头视觉识别；
4. 附加要求：车载显示屏尺寸≤2英寸、场外视频图传+录像留存、定点稳球、行驶过程动态稳球、指定刻度定位等多任务考核。

1.2 考察四大核心能力

1. 机械结构工程设计：PPR水管开槽规范、铰链安装、舵机连杆角度传动机构；
2. 多级闭环控制算法：钢球位置环-摆杆倾角环-执行器驱动环三级串级PID；小车独立循迹差速PID；
3. 嵌入式AI视觉检测：K230实现钢球圆心定位、像素与物理刻度映射、低延迟坐标串口下发；
4. 多系统集成调度：运动控制、姿态补偿、视觉通信、WiFi图传、OLED状态显示多模块并行稳定运行。

1.3 本方案选型说明（为什么选F103+K230）

• STM32F103C8T6：低成本、资料极多、定时器资源刚好满足舵机PWM、电机驱动、编码器测速，足够承载两路PID闭环，适合预算有限队伍；
• K230：内置NPU算力远超ESP32-CAM，霍夫圆检测、反光抗干扰能力更强，独立承担视觉运算不占用主控资源，同时支持WiFi推流/HDMI输出满足赛题图传要求。

二、系统总体硬件架构

2.1 整体硬件拓扑框图

┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ 视觉处理单元：K230开发板 + OV摄像头 │ │ 1. ROI裁剪→灰度模糊→霍夫圆检测→钢球坐标解算 │ │ 2. 像素映射实际刻度值，TTL串口下发给STM32 │ │ 3. WiFi MJPG图传推流 / HDMI采集卡录像 │ └───────────────┬─────────────────────────────────────┘ │ 3.3V TTL串口交叉连接 ▼ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ 运动主控单元：STM32F103C8T6 │ │ ├─ TIM1 PWM → MG996R舵机（摆杆倾角控制） │ │ ├─ TIM2 PWM → TB6612 直流减速电机驱动（小车行驶） │ │ ├─ TIM3 正交编码器 → 电机速度闭环 │ │ ├─ I2C1 → MPU6050 六轴姿态传感器（倾角前馈补偿） │ │ ├─ I2C1 → 0.96寸OLED屏（时长+球位置显示） │ │ ├─ GPIO PC0~PC6 → 7路TCRT5000红外循迹阵列 │ │ └─ USART1 中断接收K230下发钢球位置数据 │ └─────────────────────────────────────────────────────┘

2.2 STM32F103定时器资源精细化分配（重点）

F103C8T6定时器资源紧张，严格分配避免冲突：

注意：所有传感器、执行器统一3.3V逻辑电平，电机、舵机采用独立电源供电，防止电压跌落导致串口乱码、主控死机。

2.3 完整BOM物料清单

三、机械结构详细设计方案

3.1 PPR水管摆杆制作规范（硬性规则不能违规）

1. 截取长度：单根水管总长25cm，不超出35cm车身限制；
2. 开槽方式：沿轴线剖开上半部分，保留底部120°~150°圆弧承重槽，保证钢球稳定卡在槽内；
3. 内壁要求：原始光滑状态，禁止打磨、贴胶带、涂胶水增加摩擦力，否则测试直接作废；
4. 刻度标定：仅在凹槽外侧边缘粘贴0.1cm间隔刻度条，中心点标记零点O，左右±5cm量程；
5. 安装高度：左侧铰链固定支架离地高度≥5cm，右侧通过舵机摇臂+连杆实现升降倾斜。

3.2 角度执行机构两种可选方案

1. 方案A（比赛首选）：MG996R舵机+连杆机构
   舵机转动角度线性转化为摆杆右端升降量，结构简单、代码只需要PWM角度映射，调试成本低；注意必须加装金属舵臂，高频摆动避免扫齿。
2. 方案B（高精度备选）：步进电机+丝杆滑台
   倾角控制精度更高，但响应速度偏慢，需要限位开关，代码复杂度高，非必要不推荐。

3.3 小车底盘布局规划（俯视）

• 前部：7路红外传感器横向排布，用于弯道、直道黑线循迹；
• 中部：纵向固定PPR摆动摆杆，K230摄像头支架垂直俯拍凹槽全程；
• 后部：主控板、驱动模块、电池、舵机集中布线；
• 优化点：过弯离心力易导致钢球甩出，底盘尽量降低重心，走线做扎带固定减震。

四、K230视觉检测与图传实现

4.1 K230整体功能定位

1. 不参与任何闭环控制，只做感知层：识别钢球→计算物理位置→串口下发给STM32；
2. 并行任务：视频流编码推流，满足场外电脑录像存档的赛题硬性要求。

4.2 钢球识别完整算法流程

1. ROI区域锁定：框选水管凹槽拍摄区域，过滤背景杂物，减少算力开销；
2. 图像预处理：灰度化→高斯模糊→腐蚀膨胀消除水管内壁反光噪点；
3. 目标特征提取：
   • 限定圆形半径9~11mm，霍夫圆检测筛选唯一钢球；
   • 进阶优化：二值化轮廓查找+最小外接圆，亚像素重心定位提升精度；
4. 物理刻度标定：赛前拍摄刻度模板，建立像素坐标 ↔ 实际厘米值映射系数；
5. 数据打包下发：通过TTL串口以固定帧格式发送，刷新率≥50Hz；
6. 视频推流同步执行。

4.3 串口通信协议（极简可靠，比赛零bug）

• 电平：3.3V对3.3V直连，TX交叉对接RX；
• 波特率：115200 8N1；
• 数据帧格式：#数值\r\n
  示例：

#0.00\r\n // 钢球居中零点 #-3.20\r\n // 向左偏移3.2cm #2.75\r\n // 向右偏移2.75cm

STM32在串口中断仅做数据缓存，主循环解析浮点值送入位置环PID。

4.4 两种图传落地方案（应对赛场WiFi干扰）

方案1：WiFi模块MJPG流推流（便捷）

K230外接WiFi模块开启AP热点，笔记本连接局域网IP，浏览器打开实时画面并使用OBS录制视频，对标原ESP32-CAM方案使用逻辑。

方案2：HDMI输出+USB采集卡录制（稳定性拉满）

直接HDMI输出原始画面至采集卡，电脑端录制，彻底规避赛场大量2.4G设备信道拥堵、丢包卡顿问题，建议作为备用兜底方案。

4.5 K230专属避坑点

1. 俯拍镜头近距离畸变较大，可微调镜头焦距或增加近摄垫圈；
2. 视觉处理存在固定几毫秒延迟，后端PID微分参数不可过大，避免系统振荡；
3. 对传回的钢球坐标做一阶低通滤波平滑，抑制识别跳变干扰。

五、STM32F103控制算法核心设计（全文重点）

5.1 三级串级PID闭环架构（决定稳球成败）

外环：钢球位置环（最外层）

• 设定值：定点0cm / 指定±5cm刻度；
• 反馈值：K230串口解析得到的钢球实际位置；
• 输出量：期望摆杆俯仰角度；
• 作用：消除钢球静态偏差，I积分项抵消稳态误差。

中环：摆杆倾角环

• 设定值：位置环输出目标倾角；
• 反馈值：MPU6050读取摆杆Pitch俯仰角；
• 输出量：舵机目标PWM角度；
• 作用：补偿舵机连杆机械非线性、车体颠簸扰动，提升响应速度。

内环：执行器驱动环

舵机直接PWM定位，无需额外速度环；若使用直流电机驱动倾角机构则增加速度PID。

核心原理：单级PID无法克服钢球滚动惯性导致的持续振荡，串级结构内环提前抑制扰动，闭环稳定性大幅提升。

5.2 小车红外循迹独立PID

1. 7路TCRT5000采集黑白电平，加权计算轨道中心偏差量；
2. PID输出左右轮差速PWM值，直道降低P值保证平稳，弯道动态增大P提升转向灵敏度；
3. 关键联动策略：检测到大偏差急转弯时，主动降低小车行驶速度，同时给滚球控制增加前馈补偿，防止离心力将钢球抛出凹槽。

5.3 车体姿态前馈补偿（高分加分项）

小车加速、减速、转弯会带来车身侧倾，直接导致钢球被动偏移。利用MPU6050采集车身Roll横滚角，叠加前馈量至摆杆目标倾角：

目标倾角 = 位置环PID输出 + 车体倾角×前馈系数Kf

提前预判扰动并修正摆杆角度，大幅提升行驶过程中稳球效果。

5.4 STM32F103算力适配优化（必做）

1. F1无硬件FPU浮点单元，PID运算尽量采用定点缩放算法，减少大量float运算造成主控卡顿；
2. 闭环周期不需要强行拉满200Hz，稳定50Hz闭环即可可靠运行；
3. 串口中断只做字节缓存，复杂数据解析放置主while循环，避免中断过长导致丢数据；
4. 电池压降对舵机响应影响大，最终参数务必在半电状态下复测整定。

六、软件功能整体逻辑框图

系统上电初始化 ├─ 外设初始化：定时器PWM、I2C、串口、GPIO、OLED、MPU6050 ├─ K230握手等待，确认视觉数据正常接收 ├─ MPU6050静置3秒零偏校准 └─ 大循环轮询执行 ├─ 串口解析K230钢球位置数据（滤波平滑） ├─ 三级串级PID计算 → 输出舵机角度 ├─ 7路红外采集 → 循迹PID → 小车差速行驶 ├─ 车身姿态前馈补偿叠加修正 ├─ OLED刷新：运行时间、钢球当前刻度、工作模式 └─ 按键检测：定点模式/行驶稳球模式切换

七、四天备赛时间规划 & 三人分工（可直接写进报告）

Day1 硬件搭建与模块单独调通

• 结构组员：PPR水管开槽、摆杆舵机连杆装配、整车底盘组装、红外传感器排布；
• 视觉组员：K230摄像头对焦调试、霍夫圆识别代码编写、串口坐标下发功能打通；
• 控制组员：STM32最小系统外设驱动编写、循迹传感器读取、MPU6050姿态读取、OLED显示调试。

Day2 算法单模块闭环实现

• 结构组员：机械加固、支架减震、电源分路供电优化、解决舵机抖动共振；
• 视觉组员：像素-刻度标定校准、识别精度优化、WiFi图传推流与录像功能完成；
• 控制组员：小车循迹PID跑通、三级串级PID框架编写、静态定点稳球任务调试成功。

Day3 系统联调与动态任务调试

• 结构组员：随时整改机械松动、限位干涉问题；
• 视觉组员：解决光线干扰识别跳变问题，降低传输延迟；
• 控制组员：行驶中动态稳球联调、弯道前馈减速、车体倾角补偿算法落地，全任务流程跑通。

Day4 最终固化与文档整理

• 全体：参数固化、多次上电稳定性拷机测试、作品打包；
• 分块撰写设计报告：机械结构部分、视觉算法部分、控制算法与软件流程部分，20:00前完成封箱。

八、全套避坑指南（电赛血泪经验）

8.1 赛规红线绝对不能碰

1. PPR水管内壁任何打磨、粘贴摩擦材料直接判无效测试；
2. 刻度条只能贴在槽体外沿，禁止贴在钢球滚动路径上；
3. 小车循迹严禁使用摄像头，只能使用红外光电传感器；
4. 车载显示屏物理尺寸严格≤2英寸。

8.2 硬件与供电坑

1. K230与STM32必须3.3V直连，禁止接入5V电平烧毁IO；
2. 舵机、电机大负载单独供电，主控板LDO独立稳压，避免电压波动串口乱码；
3. MG996R高频往复摆动极易发热降扭矩，必须预留备用舵机。

8.3 算法与控制坑

1. 视觉反馈存在延迟，PID微分参数D切勿过大，否则高频抖动；
2. F103单片机浮点运算吃力，闭环频率适度降低，保证系统实时性；
3. 过弯不做减速前馈，大概率钢球直接甩出水槽导致任务失败；
4. MPU6050上电必须静置校准，否则倾角零点漂移导致补偿反向。

8.4 图传赛场环境坑

赛场大量WiFi设备干扰2.4G信道，优先预留HDMI+采集卡录像方案作为兜底，防止图传失效扣分。

九、总结与拓展优化方向

本方案以低成本STM32F103C8T6为主控，K230承担AI视觉检测与视频推流，完美满足2026电赛H题全部考核点，机械结构简单易加工、控制逻辑成熟可靠、代码可复用性强，适合绝大多数普通本科队伍落地参赛。

可后续迭代优化点

1. 增加卡尔曼滤波对钢球位置数据做最优估计，进一步抑制识别噪声；
2. 引入模糊PID/增量式PID提升不同负载下自适应性；
3. K230增加目标丢失容错逻辑，无钢球时向上位机发送标记帧避免主控PID异常。

**

需要源码可私信

**