内容介绍

一、项目介绍和创意介绍

1. 项目背景与任务要求

题目核心任务为:方向五"教育与创意互动"：设计并制作一套双轴姿态可调节的平板平衡系统，通过自动控制方式，使小球在平板上实现自动平衡、定点稳定、指定轨迹运动、抗扰动保持等功能。系统要求响应快、精度高、运行稳定，能在外界轻微扰动下快速恢复平衡，在此过程中了解并学习舵机控制的流程，并系统的学习PID算法，有助于我们更好的了解控制原理。

2. 项目功能与目标

本系统最终实现以下功能：

小球自动归中（模式1、2）：小球放置在板面任意位置，可自动回到中心并稳定。
定点定位控制（模式3、4、5）：小球可稳定停在板面指定坐标点，误差极小。
圆周轨迹跟踪（模式6）：小球沿设定圆形轨迹匀速平稳运动，不脱轨、不抖动。
多点顺序巡线（模式7）：按预设路径依次到达多个目标点，完成复杂轨迹。
抗干扰平衡：受到外力扰动后，可在 1 秒内快速恢复平衡状态。
人机交互：支持按键切换模式、OLED 实时显示坐标、误差、运行状态。

3. 项目创新点与特色

视觉闭环方案：放弃传统 IMU 姿态检测，改用OpenMV 机器视觉直接检测小球位置，检测更直观、精度更高。
双闭环级联 PID：采用位置外环 + 角度内环双 PID 结构，兼顾定位精度与动态响应。
解耦控制设计：X、Y 双轴独立控制、独立参数整定，消除机械耦合带来的抖动。
多模式一键切换：支持归中模式、定点模式、画圆模式、路径模式，调试与演示便捷。
软硬件安全保护：具备通信超时保护、舵机角度限位、电源异常保护，防止机械与电路损坏。
模块化架构：硬件分层、软件分函数，便于调试、移植与扩展，适合教学与竞赛复用。

二、使用到的硬件详细介绍

系统采用 “主控 + 视觉 + 驱动 + 电源 + 结构” 模块化硬件架构，主要器件与功能如下：

1. 主控模块：STM32F103C8T6 最小系统

内核：ARM Cortex-M3，最高主频 72MHz
资源：64KB Flash，20KB SRAM
接口：3 路 USART、2 路 SPI、2 路 I2C、多路 16 位定时器
作用：负责视觉数据解析、PID 运算、PWM 输出、按键处理、OLED 显示、逻辑调度。

2. 视觉采集模块：OpenMV4 H7 Plus

处理器：STM32H743，Cortex-M7
摄像头：OV5640，500 万像素
帧率：QVGA 模式下可达 50–60FPS
功能：图像采集、灰度化、二值化、轮廓查找、质心计算、坐标串口输出。

3. 执行机构：双路数字舵机

型号：DS3115 大扭矩数字舵机
扭矩：15–20kg・cm，满足平板驱动需求
控制方式：20ms 周期 PWM，脉宽 500–2500μs 对应 0–180°
作用：分别控制平板X 轴、Y 轴倾斜角度，改变小球受力方向。

4. 电源管理模块

LM2596S：12V 输入→5V/3A 输出，给舵机供电
MP1584：5V 输入→3.3V 输出，给 STM32、OpenMV、OLED 供电
配置大电容滤波、防反接、防浪涌电路，保证供电稳定。

5. 人机交互模块

矩阵键盘：8–12 键，用于模式切换、目标点设置、PID 参数微调
OLED 显示屏：0.96 寸 I2C 接口，显示：小球坐标 (X,Y)、目标坐标、误差、模式、电压状态。

6. 机械结构系统

平衡平板：亚克力 / 铝基板，尺寸约 20cm×20cm
双轴支撑：中心球铰支撑，保证两轴自由倾斜
传动机构：舵机摇臂 + 金属连杆 + 鱼眼轴承，减小机械间隙与死区
支架：固定 OpenMV 于平板正上方，保证视野全覆盖。

三、方案框图和项目设计思路

1. 系统总体方案框图

2. 整体设计思路

系统采用实时闭环负反馈控制，流程如下：

位置检测：OpenMV 摄像头俯视拍摄平板，通过图像处理提取小球中心坐标 (X,Y)。
数据传输：通过 UART 串口按固定帧格式发送给 STM32。
误差计算：STM32 将实际位置与目标位置做差，得到位置误差。
PID 运算：双闭环 PID 控制器根据误差输出舵机角度控制量。
执行动作：主控输出两路 PWM 控制舵机，推动平板倾斜。
闭环修正：小球位置随平板姿态改变，视觉持续采集新位置，不断修正，直至误差趋近于 0。

3. 控制算法设计思路

外环（位置环 PID）：根据小球位置误差，计算平板期望倾角。
内环（角度环 PID）：根据期望倾角与实际倾角，计算舵机 PWM 输出。
解耦控制：X、Y 轴完全独立，互不影响，提升稳定性。
抗积分饱和：设置积分限幅，避免小误差累积导致过冲。
微分滤波：对微分项做一阶低通滤波，抑制高频噪声。

四、原理图和 PCB 介绍

1. 原理图设计说明

（1）STM32F103C8T6 最小系统原理图

电源：VDD 接 3.3V，VSS 接地，配置 0.1μF 去耦电容。
复位：NRST 引脚接上拉电阻 + 按键复位。
时钟：外部 8MHz 晶振 + 22pF 负载电容。
下载：SWDIO、SWCLK、GND 组成调试下载接口。

（2）电源电路原理图

12V 输入插座，串联自恢复保险丝 + 防反接二极管。
LM2596：12V→5V
MP1584：5V→3.3V，给数字电路供电，纹波更小。

（3）舵机驱动电路

舵机信号线接 STM32 定时器通道 PA0、PA1。
舵机电源直接由 5V 大功率模块供电，不经过 3.3V。
PWM 输出口串联小电阻，保护 IO 口，防止浪涌损坏。

（4）串口通信电路

OpenMV 的 TX 接 STM32 的 RX，RX 接 TX，共地。
配置电平匹配（3.3V 兼容），无电平转换芯片。

（5）按键与 OLED 电路

矩阵按键采用行列扫描，上拉电阻输入。

OLED 采用 I2C 通信，SDA、SCL 接 PB7、PB6。

五、软件流程图和关键代码介绍

1. 软件系统整体流程图

霍夫变换视觉与通信方案

2. 软件模块划分

初始化模块：时钟、外设、中断、PID 参数初始值。
视觉通信模块：串口接收、数据帧解析、校验。
PID 控制模块：位置环、角度环、积分限幅、输出限幅。
PWM 输出模块：舵机角度映射、双轴独立输出。
人机交互模块：按键扫描、菜单切换、OLED 显示。
保护模块：超时判断、角度限位、异常回中。

3. 关键代码详细说明

（1）PID 结构体与初始化

typedef struct {
    float target;     // 目标值
    float measure;    // 测量值
    float Kp;         // 比例系数
    float Ki;         // 积分系数
    float Kd;         // 微分系数
    float err;        // 当前误差
    float last_err;    // 上一次误差
    float integral;    // 积分累加
    float output;     // 输出值
    float MaxOut;     // 最大输出限幅
    float MaxIntegral; // 积分限幅
} PID_TypeDef;

PID_TypeDef PID_X, PID_Y;

（2）增量式 PID 计算函数

float PID_Calc(PID_TypeDef *pid)
{
    pid->err = pid->target - pid->measure;
    float increment = 
        pid->Kp * (pid->err - pid->last_err)
      + pid->Ki * pid->err
      + pid->Kd * (pid->err - 2*pid->last_err + pid->last_last_err);

    pid->output += increment;

    // 输出限幅
    if(pid->output > pid->MaxOut) pid->output = pid->MaxOut;
    if(pid->output < -pid->MaxOut) pid->output = -pid->MaxOut;

    pid->last_last_err = pid->last_err;
    pid->last_err = pid->err;
    return pid->output;
}

（3）OpenMV 数据帧解析

// 通信协议：0xA3 + 0xB3 + XH + XL + YH + YL + 0xC3
void Parse_OpenMV_Data(u8 *buf)
{
    if(buf[0]==0xA3 && buf[1]==0xB3 && buf[6]==0xC3)
    {
        Ball_X = (buf[2]<<8) | buf[3];
        Ball_Y = (buf[4]<<8) | buf[5];
    }
}

（4）舵机角度控制

void Servo_SetAngle(float angle_x, float angle_y)
{
    // 角度映射到PWM比较值
    TIM_SetCompare1(TIM2, (u16)(500 + angle_x * 11.11));
    TIM_SetCompare2(TIM2, (u16)(500 + angle_y * 11.11));
}

（5）模式切换逻辑

	while(1)
    { 
			  Key_scanf(); //比较草率的按键扫描，按一下容易多次触发，但耐不住它简单呀，凑合用，核心不在这
        OLED_ShowNum(20,0,X_measure,2);OLED_ShowNum(20,2,Y_measure,2); //显示小球测量坐标
        OLED_ShowNum(5,5,start_time/100,2);  //读秒显示
        
        switch(mode)
        {
            case 1:OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);break;
            case 2:OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);break;
            case 3:OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);break;
					  case 4:OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);break;
					  case 5:OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);break;
					  case 6:OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);break;
					  case 7:
						{
							OLED_ShowNum1(75,5,mode,2);
							OLED_ShowNum(85,1 ,key_values[0],1);
							OLED_ShowNum(85,2,key_values[1],1);
							OLED_ShowNum(85,3,key_values[2],1);
							OLED_ShowNum(85,4,key_values[3],1);
							break;
						}
        }
        if(mode_flag)
            OLED_ShowStr(120,5,"*",2);  //我定义为确认键，显示*的时候代表已经进入了这个模式
        else
            OLED_ShowStr(120,5,"   ",2);
        
        err_time++;      //异常时间累加
        if(err_time>30)  //小球可能已经脱板
        {
            Servo_Control(1500,1500); //回到水平位置
        }
        delay_ms(20 );   //适当增加这个数值，可以给按键消抖
    }
		
		    
}

void TIM2_IRQHandler(void)  //有关时间的操作放在中断里就行了，下面写的比较潦草
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
    {
        start_time++;   //每10ms++
        
        if(mode_flag)
        {
            switch(mode)
            {
                case 1:
                {
                    X_calcu=140;Y_calcu=60;
                }
                break;
                case 2:
                {
                    if(0<start_time&&start_time<350)
                    {
                        X_calcu=80;Y_calcu=60;
                   }
                    else if(300<start_time)
                   {
                        X_calcu=140;Y_calcu=120;
                      }

                break;
                case 3:
                {
                    if(0<start_time&&start_time<500)
                    {
                        X_calcu=80;Y_calcu=60;
                    }
                    else if(500<start_time&&start_time<1100)
                    {
                        X_calcu=83;Y_calcu=117;
                    }
                    else if(1150<start_time)
                    {
                        X_calcu=140;Y_calcu=120;
                    }
                }
                break;
								case 4:
                {
                    if(0<start_time&&start_time<800)
                    {
                        X_calcu=80;Y_calcu=60;
                    }
                    else if(800<start_time&&start_time)
                    {
                        X_calcu=194;Y_calcu=177;
                    }
                    
                }
                break;
								case 5:
                {
                    if(0<start_time&&start_time<950)
                    {
                        X_calcu=80;Y_calcu=60;
                    }
                    else if(950<start_time&&start_time<1650)
                    {
                        X_calcu=140;Y_calcu=60;
                    }
										else if(1650<start_time&&start_time<2500)
                    {
                        X_calcu=195;Y_calcu=120;
                    }
                    else if(2500<start_time)
                    {
                        X_calcu=194;Y_calcu=177;
                    }
                }
                break;
								case 6:
                {
                    if(0<start_time&&start_time<500)
                    {
                        X_calcu=83;Y_calcu=117;
                    }
                    else if(500<start_time&&start_time<800)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=151;
                    }
										else if(800<start_time&&start_time<1100)
                    {
                        X_calcu=175;Y_calcu=151;
										}
										else if(1100<start_time&&start_time<1400)
                    {
                        X_calcu=175;Y_calcu=93;
										}
											else if(1400<start_time&&start_time<1700)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=93;
                    }
										else if(1700<start_time&&start_time<2000)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=151;
                    }
										else if(2000<start_time&&start_time<2300)
                    {
                        X_calcu=175;Y_calcu=151;
										}
										else if(2300<start_time&&start_time<2600)
                    {
                        X_calcu=175;Y_calcu=93;
										}
											else if(2600<start_time&&start_time<2900)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=93;
                    }
										else if(2900<start_time&&start_time<3200)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=151;
                    }
										else if(3200<start_time&&start_time<3500)
                    {
                        X_calcu=175;Y_calcu=151;
										}
										else if(3500<start_time&&start_time<3800)
                    {
                        X_calcu=175;Y_calcu=93;
										}
											else if(3800<start_time&&start_time<4100)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=93;
                    }
											else if(4100<start_time&&start_time<4400)
                    {
                        X_calcu=108;Y_calcu=151;
                    }
                    else if(4400<start_time)
                    {
                        X_calcu=196;Y_calcu=180;
                    }
										break;
                }
								case 7:
								{
									for(int ab=0;ab<4;ab++)
									{
										switch(key_values[ab])
										{
											case 1: x_pos[ab]=80; y_pos[ab]=60; break;
											case 2: x_pos[ab]=140; y_pos[ab]=60; break;
											case 3: x_pos[ab]=198; y_pos[ab]=60; break;
											case 4: x_pos[ab]=83; y_pos[ab]=117; break;
											case 5: x_pos[ab]=140; y_pos[ab]=120; break;
											case 6: x_pos[ab]=196; y_pos[ab]=120; break;
											case 7: x_pos[ab]=83; y_pos[ab]=177; break;
											case 8: x_pos[ab]=140; y_pos[ab]=177   ; break;
											case 9: x_pos[ab]=195; y_pos[ab]=177; break;
										}
									}
									
																			if(0<start_time&&start_time<800)
                    {
                        X_calcu=x_pos[0];Y_calcu=y_pos[0];
                    }
                    else if(800<start_time&&start_time<1600)
                    {
                        X_calcu=x_pos[1];Y_calcu=y_pos[1];
                    }
										else if(1600<start_time&&start_time<2400)
                    {
                        X_calcu=x_pos[2];Y_calcu=y_pos[2];
										}
										else if(2400<start_time&&start_time<3200)
                    {
                        X_calcu=x_pos[3];Y_calcu=y_pos[3];
										}
									
																							
																		break;
								}
                
            }
        }
       
        
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

六、功能展示图及说明（具体功能看视频展示）

电路实物图片

1. 小球自动回归中心功能

现象：小球放在平板边缘，系统迅速调整双轴角度，小球平稳滑向中心并稳定。
指标：稳态误差≤±2 像素，调整时间≤1 秒。
说明：验证基础闭环平衡能力。

2. 定点定位功能

现象：通过按键设定目标点，小球快速移动到指定位置并保持不动。
说明：可设置九宫格点位，定位准确，无明显漂移。

3. 圆周轨迹跟踪功能

现象：小球沿圆形轨迹匀速平稳运动，轨迹圆滑，无卡顿、无脱轨。
指标：一圈时间约 8–9 秒，轨迹偏差≤5 像素。
小球上半圆A-B运行轨迹图
小球下半圆C-D运行轨迹图

4. 多点顺序巡线功能

现象：按设定路径依次到达 A→B→C→D→A 等点位，完成复杂路径控制。

5. 抗干扰测试

现象：用手轻推小球或轻晃平板，系统快速响应，1 秒内恢复平衡。
说明：体现系统响应速度与鲁棒性。

6. OLED 显示界面

显示内容：小球 X、Y 坐标、目标坐标、控制模式、系统状态。
作用：便于现场调试与参数观察。

七、设计中遇到的难题和解决方法

难题 1：视觉数据抖动大，小球位置跳变

原因：光照变化、图像噪声、小球运动模糊导致坐标跳变。
解决：
- OpenMV 端使用滑动平均滤波。
- STM32 端做限幅滤波 + 死区处理。
- 固定 ROI 区域，减少背景干扰。

难题 2：PID 整定困难，系统易震荡或响应慢

原因：双轴耦合、机械死区、参数不匹配。
解决：
- 采用先 P→再 D→最后 I的整定顺序。
- 双轴独立整定参数，不共用一套参数。
- 加入积分限幅，防止积分饱和。

难题 3：舵机启动时电源电压被拉低，系统重启

原因：舵机启动电流大，电源瞬间压降。
解决：
- 增加1000μF+100μF并联滤波电容。
- 舵机与主控分开供电，不共用地线。
- 增加续流二极管吸收反向电动势。

难题 4：双轴耦合，一动 X 轴 Y 轴偏移

原因：机械结构不对称、连杆长度不一致。
解决：
- 调整连杆长度与安装角度，保证对称。
- 软件上 X、Y 轴完全解耦，独立控制。

难题 5：OpenMV 与 STM32 串口通信丢包

原因：波特率不匹配、数据无帧格式。
解决：
- 统一波特率 115200。
- 采用帧头 + 数据 + 帧尾校验机制。
- 设置超时判断，丢失一帧不影响系统。

八、心得体会

1.收获与体会

在专业能力上，我对闭环控制、PID 算法、嵌入式开发、机器视觉、电源设计、抗干扰处理有了更深刻的理解，不再停留在课本理论，而是真正落地到硬件与代码中。同时，我也深刻体会到：控制类题目不仅是写代码，更是机械、电路、算法、调试能力的综合比拼。任何一个小细节，如机械间隙、电源纹波、接地处理、滤波参数，都会直接影响系统成败。

在团队协作方面，我们分工明确、互相配合，遇到问题一起分析、轮流调试，培养了高效沟通、抗压应变、快速排错的能力。竞赛过程非常辛苦，经常熬夜调试，但每当系统稳定实现功能时，所有付出都变得非常值得。

2.存在的不足

硬件抗干扰经验不足，前期因电源与接地问题浪费大量时间。
PID 算法调优效率不高，依赖多次试凑，理论分析能力有待加强。
复杂故障排查速度慢，对系统整体运行逻辑的熟练度仍需提升。

3. 总结

这次活动不仅提升了我的专业技能，更培养了严谨、耐心、坚持、迎难而上的工程素养。