一、赛题需求深度拆解1.1 题目核心任务车体尺寸限制整车≤35cm×25cm轮式小车电池独立供电执行机构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F103K230STM32F103C8T6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定时器功能用途外设引脚TIM1舵机标准20ms PWM输出PA8TIM2左右轮电机两路PWM调速PA0/PA1TIM3编码器正交测速模式PA6/PA7USART1与K230串口通信PA9(TX)/PA10(RX)I2C1MPU6050 OLED共用总线PB6/PB7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物料清单模块分类器件名称数量作用说明主控核心STM32F103C8T6最小系统板1全车运动控制、PID运算、逻辑调度视觉单元K230开发板配套摄像头1钢球识别、坐标解算、WiFi图传执行机构MG996R金属齿轮大扭矩舵机21备1用PPR摆杆倾角连杆驱动小车驱动直流减速电机TB6612驱动板2套差速循迹小车底盘循迹传感器TCRT5000红外对管模块7路黑线循迹加权计算偏差值姿态反馈MPU6050六轴陀螺仪加速度计1摆杆俯仰角读取车体晃动前馈补偿显示模块0.96寸I2C OLED显示屏1车载时长、钢球位置、运行状态显示结构件4分PPR水管、合页铰链、连杆支架1套滚球凹槽摆动机构被控对象Φ1cm实心钢球≥3颗防止丢失、备用替换供电配件12V锂电池、5V稳压模块、杜邦线2套整车双组备用电源三、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截取长度单根水管总长25cm不超出35cm车身限制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。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数据打包下发通过TTL串口以固定帧格式发送刷新率≥50Hz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2.75cmSTM32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1WiFi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2HDMI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PID7路TCRT5000采集黑白电平加权计算轨道中心偏差量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运算造成主控卡顿闭环周期不需要强行拉满200Hz稳定50Hz闭环即可可靠运行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PPR水管内壁任何打磨、粘贴摩擦材料直接判无效测试刻度条只能贴在槽体外沿禁止贴在钢球滚动路径上小车循迹严禁使用摄像头只能使用红外光电传感器车载显示屏物理尺寸严格≤2英寸。8.2 硬件与供电坑K230与STM32必须3.3V直连禁止接入5V电平烧毁IO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 算法与控制坑视觉反馈存在延迟PID微分参数D切勿过大否则高频抖动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引入模糊PID/增量式PID提升不同负载下自适应性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**