简介2017电赛B题基础题资源包面向参加电子设计竞赛、需要快速上手STM32嵌入式开发的参赛者与备赛团队。项目以STM32F103ZET6为核心融合山外OV7725二值化图像采集、OLED坐标显示、红外任务选择与舵机控制覆盖从图像处理到机械执行的关键环节。压缩包共237个文件约6.32MB包含C语言源文件、头文件、Keil工程配置及编译中间产物等便于直接查看代码结构、恢复工程并理解各模块调用关系。资源内文件组织较完整能帮助读者厘清摄像头数据流、传感器触发逻辑与舵机驱动方式适合希望在赛题基础上进行扩展或复现完整方案的开发者。已有796人学习下载可作为2017年B题基础任务设计的重要参考。 2017年电赛B题“滚球控制系统”我到现在还记得赛场上那些队伍的表情。拿到题目时感觉这题真简单无非是让一个小球在一块平板上停住、画圆、走路线但真正调起来才发现机械、图像、控制三块哪一块拉胯都会让小球原地抽搐。这篇文章我按当年参赛再加后来带队的经验把B题基础题的完整思路从头到尾捋一遍重点讲清楚为什么这么做、怎么做、以及踩过的坑希望准备这个题目的队伍能少熬几个通宵。开头先给个定调B题基础题要解决的核心问题是让一个小球在二维平板上按指定的轨迹运动并满足一定的精度和稳定性要求。基础部分通常包含定点停稳、圆周运动、直线或折线寻迹这几个环节。你别看只是“让球转个圈”背后牵涉到机械倾斜机构、视觉定位、闭环控制整套系统任何一个环节出问题小球就会教你怎么做人。1. 题目拆解与整体方案1.1 基础题到底在考什么2017年这道题给的是一个平板结构平板中间放一个小球通过控制平板的倾斜角度来让小球滚动。基础题几问说白了就是这几种任务让小球从某个位置出发到达指定坐标点并稳定停留让小球在平板上做圆周运动让小球按照直线或折线路线走一段。评分看的是稳定时间、轨迹贴合误差和是否越界。很多队伍栽在第一步小球在平板上稳定不下来。原因很简单整套系统是一个闭环视觉给位置、控制算角度、电机执行倾斜任何一环有延迟或者误差小球就跑偏。基础题如果只做到“能走起来”远远不够你要做到“停在目标点不抖、画圆误差不夸张、走线不冲出去”这才有分。1.2 系统架构与方案选型围绕这个任务系统可以拆成四个模块视觉定位模块负责读取小球坐标控制核心负责根据误差计算平板倾角执行机构负责把倾角落实到平板上平板与支架是整个机构的骨架。我当时选的控制核心是STM32F407图像处理放在笔记本上用OpenCV跑通过串口把小球坐标发给单片机。为什么这么选因为比赛时间只有四天三夜STM32直接跑摄像头图像处理的话开发效率和调试便利性都会大打折扣而OpenCV调试起来所见即所得还能顺便做可视化监控。控制频率不需要太高20ms一个控制周期足够这个频率串口完全能顶住。执行机构我推荐步进电机加连杆的方案理由后面细说但先记住一点整个方案里最怕电机响应慢、有回差这两个问题会直接吃掉你的控制性能。2. 机械结构先打好底子2.1 结构方案怎么选控制算法再强机械结构不行就是白搭。B题的平板倾斜机构常见的有三种舵机直驱摇臂、步进电机加丝杠、步进电机加连杆。舵机方案结构最简单但角度分辨率受限且舵机内部位置闭环在频繁调整时会有一点迟滞小球比较容易出现低频抖动。步进电机加丝杠方案精度高但丝杠回差如果处理不好加上装配麻烦四天时间比较紧张。我自己最推荐步进电机加连杆用步进电机转动带动连杆推动平板边缘结构简单可靠回差可以通过结构设计和软件补偿来控制。平板的支撑点非常关键。我见过不少队伍直接用合页或者普通轴承做中心支撑结果平板平面自由度不够或者支撑点间隙太大小球一跑起来就抖。正确做法是使用一个球头关节轴承作为万向支撑让平板可以绕着中心点在两个方向上自由倾斜。间隙大的支撑点就是你PID怎么调都压不住抖动的一号嫌疑犯。2.2 关键尺寸与选型计算平板尺寸大概35cm×35cm比较合适太大惯性大电机响应慢太小活动范围小基础题里画圆和走线都不方便。平板材质选5mm铝板或亚克力板重量控制在1kg以内。小球选直径20mm左右的钢球或者玻璃球表面要光滑均匀。这里说个细节换球等于换系统参数球径变了、摩擦变了PID参数和运动特性完全两回事比赛期间盯紧一个球用。连杆作用点离中心支撑点距离L一般取满量程边缘到中心的1/3到1/2。以15cm为例平板倾角θ大约等于连杆位移δ除以L小角度下跟弧度近似相等。如果你想获得±8°的倾角范围那么连杆需要提供的直线位移就是δL×tan(θ)代进去算大约是±2.1cm。这个公式非常实用选舵机臂长或者步进电机丝杠行程的时候直接用。2.3 机械装配的几个坑装配环节第一个坑是两轴垂直度。X轴和Y轴的驱动机构要尽量垂直不垂直的话两个方向的运动会耦合小球走出来的轨迹会歪。第二个坑是连杆关节处的虚位虚位大的话电机即使微调角度平板也会顿一下才动。最简单的处理是关节处用带轴承的鱼眼接头比直接用螺丝孔穿销子好很多。还有一个小细节平板表面贴一层磨砂贴膜或者喷哑光漆。一来减少反光方便摄像头识别二来增加一点摩擦力小球更容易被控制停稳。光溜溜的板子虽然好看但小球在上面跟溜冰一样想停住很难。3. 图像识别坐标是怎么来的3.1 图像方案怎么选图像识别模块的目标非常纯粹实时输出小球在平板坐标系下的坐标。可选方案有这么几条OpenMV独立识别STM32加摄像头模块树莓派加OpenCV笔记本加USB摄像头加OpenCV。如果你的图像部分跑在STM32上对代码效率和内存都是考验但很多学校习惯单片机上做全部也能做出来。如果现场允许使用笔记本我强烈建议用笔记本加USB摄像头加OpenCV开发效率高出好几倍。有人担心笔记本处理图像延迟太高。实测320×240分辨率下用颜色阈值分割加轮廓提取一帧处理时间在5ms到10ms之间加上串口传输和控制计算整体延迟控制在20ms以内完全没问题。帧率不必追求60帧稳定在30帧以上就够了关键是每帧的处理要稳定不能忽快忽慢。3.2 识别算法流程小球识别的经典流程是这样先把图像从BGR转到HSV通过阈值把目标颜色从背景中分离出来。为什么用HSV不用RGB因为光照变化时HSV里的H通道相对稳定调阈值更容易。以红色小球为例设定红色的H范围配合S和V的上下限就能把小球分割出来。分割之后图像上会有很多噪点我用形态学开运算去噪也就是先腐蚀后膨胀把零散的小点滤掉。接着用轮廓查找函数找到最大轮廓那个就是小球。最后算轮廓的质心或者拟合外接圆圆心得到小球在图像中的像素坐标。这一步里有个工程经验不要只算一帧就输出坐标最好做一个3到5帧的均值滤波。小球运动时图像中会出现拖影或者偶尔漏检均值滤波可以显著提高坐标稳定性代价只是增加十几毫秒延迟完全值得。3.3 标定与坐标映射图像坐标到平板坐标的映射很多人随便写个比例系数就完事这其实是个大坑。因为摄像头不是正对着平板平面的通常有一个倾斜角度直接用比例换算出来的坐标在平板边缘会差很多。正确方式是标定仿射变换用四个角点做标记识别出它们在图像中的坐标再用OpenCV的getPerspectiveTransform得到变换矩阵之后每个像素坐标都能映射到平板物理坐标。标定的时候要注意摄像头位置一旦动了就得重新标。我建议摄像头固定好之后标记点贴在平板四个角代码里留一个标定模式一键采集角点、一键生成矩阵这样比赛现场万一摄像头被碰歪了也能快速恢复。光照稳定性是视觉模块最大的敌人。窗户光、顶灯、人影晃过都会让阈值失效。最省心的办法就是把摄像头和平板放在一个半封闭的盒子里减少环境光干扰昏暗一点没关系只要光源稳定就行。4. PID控制与轨迹跟踪4.1 控制对象与结构设计小球的运动模型看着简单但严格建模很难因为滚动摩擦、平板形变、空气阻力都会影响。工程上根本不跟它客气直接把两个轴向解耦X轴倾斜只控制X方向位移Y轴倾斜只控制Y方向位移各自独立用PID控制。基础题里倾角范围很小两轴耦合很弱解耦方案足够用。控制结构是串级还是单环我直接用单环位置PID输入是目标坐标与小球当前坐标的差输出是平板倾角指令。电机带着平板去执行这个倾角虽然没有倾角传感器做反馈但因为执行机构装配完成后来回动作的重复性还行半开环的方式也能达到基础题精度。如果你用的舵机本身就是位置闭环更省事用步进电机只要不失步重复定位也没问题。4.2 参数整定顺序PID参数整定是有顺序的千万别一上来三个参数一起试。先用纯P控制把小球的静止稳定性调出来。P太小小球有气无力地慢慢挪P太大小球会跑来跑去停不下来像极了你在桌上拨弄一粒豆子。找到一个临界值让它能在目标点附近做小幅等幅振荡这就是P的基准。然后加DD的作用是压住振荡让小球快速停下来。D太大会引入噪声反而抖动得更厉害所以D要配合滤波一起用比较常用的是对微分项做一阶低通。I参数放到最后只在静态误差比较明显时才加一般取很小的值。我调过的系统里I太大了最典型的症状是小球在目标点附近做低频游走极其难受。这里分享一组初始参考值控制周期20ms、输出为平板倾角百分比时可以从KP50、KD500、KI0开始调D项明显压住振荡之后再一点一点加。换机构、换小球后参数都要重新走一遍这个流程没有捷径。4.3 圆形轨迹与折线轨迹的实现基础题里最常见的圆形轨迹实现思路跟定点控制还不一样核心是轨迹规划和前视跟踪。先把圆轨迹离散成一系列目标点用一个随时间变化的参数方程实时生成小球当前跟踪的目标不是圆心而是圆上的一个移动点。每20ms把目标点沿圆移动一小步PID控制小球不断追这个点。生成轨迹的伪代码并不复杂大概是这样的# 圆轨迹目标点生成 while running: omega 0.6 # 角速度 rad/s可调 t get_elapsed_time() target_x center_x radius * cos(omega * t) target_y center_y radius * sin(omega * t) send_to_controller(target_x, target_y) sleep(control_period) # 20ms圆轨迹最容易出现的问题是起步瞬间小球往圆外冲。原因很简单起点位置和圆轨迹上的第一个目标点距离太远PID误差一大输出倾角就大小球被猛然推出去。解决办法是先让小球从起点走到圆上的一个进入点等小球到了进入点附近再启动圆周跟踪相当于一个缓启动过程。直线和折线轨迹跟定点控制思路一样把路径分成若干段逐段给出目标点。折线拐弯处要提前减速的做法是当小球离拐点还有一段距离时目标点就提前转向让轨迹圆滑过渡。不然直角拐弯时球很容易冲出路径线。5. 基础题逐项通关实录5.1 阶段一先把静止稳定搞定别急着走轨迹第一件事是让小球能够在平板中心附近稳住。我当时拿到平台的第一个晚上就是在跟静止稳定较劲。你把小球放在中心它如果自己跑去一边或者在一个点周围不停画小圈说明参数和机械还不行。这个过程主要调P和D调的时候要有耐心。每调一次参数放球观察十几秒记录下来再改。我习惯用表格记录参数和小球表现比如KP40时小球大幅度来回跑KD加到300后明显收敛再加到500时出现高频颤振那就退回到450。这一步调好了后面所有环节的基础就牢了。5.2 阶段二定点移动静止稳定之后开始做定点移动。先做一个简单的目标点比如从(0,0)走到(10,0)看看小球能不能平稳过去并在终点停稳。这个过程中你会看到小球在目标点附近过冲、回头、再过冲慢慢收敛。想让它在目标点快速停稳主要靠D和一点I。还有一个必须处理的问题是容差环。当小球进入目标点附近一个半径2cm的圆内就认为它已经到达不要再频繁更新目标点了否则小球会一直在目标点附近打转。这个道理很简单PID是连续控制器它永远在追目标追到了也要让它“下班”。5.3 阶段三圆周与折线做完定点圆周运动就是个水到渠成的事。先把圆轨迹的参数写好半径取12到15cm角速度从0.3rad/s开始慢慢加看看小球能不能一直咬住轨迹。误差看什么看小球到理论圆的径向距离这个值用代码实时算出来打到上位机里看曲线。折线运动我建议延后到系统已经很稳定的时候再做因为折线的拐弯是最考验整套系统响应速度的。如果拐弯总是冲出去优先检查拐点前有没有提前减速以及D参数是不是偏小导致反应慢。基础题到这里整套系统就应该能拿得出手了。6. 常见问题与排错手册6.1 典型问题速查下面这些是我在比赛和带队伍过程中反复遇到的问题整理成一张速查表现场调试时对着查非常管用。现象主要原因解决思路小球高频抖动P过大、D滤波不足、机械虚位先降P再加D低通滤波检查关节间隙小球低频游走I过大、平板不平、静态摩擦力大减小I重新调平底板适当增加起始驱动力圆轨迹走成椭圆两轴增益不一致、标定不准分别标定XY映射单独微调每轴P图像识别丢球光照变化导致阈值失效遮光处理固定摄像头曝光适当放宽阈值范围电机发热异响长时间堵转或超行程软件里做倾角软限幅加机械限位保护起步冲出去目标点距离过远、初速太快先定位到轨迹起点再做缓启动6.2 调试环境搭建技巧比赛调试最大的痛点就是“看不到系统在想什么”。我强烈建议把上位机调试界面做起来。界面左边是摄像头画面加小球识别框右边是平板平面坐标图把目标点和实际位置同时画上去再开一个PID输出的曲线窗口。这样小球一跑偏你立刻能看出来是视觉问题、控制问题还是机械问题。另外所有控制参数要留成上位机可调的模式串口发个指令就能改KP、KD不用每次改完都重新烧程序。我在比赛后期基本上都是边看球跑边调参五秒钟改一次参数效率比传统改代码烧录高太多了。调试的时候养成分步记录参数的习惯哪组参数表现好就存下来防止后面调乱了回不去。写到这里我把2017年电赛B题基础题从题目拆解到机械、视觉、控制、调试的全部关键环节都过了一遍。回想起当时赛场上的经历这个题带给我最大的收获不是某段代码多厉害而是让我知道了做一个闭环系统该怎么去权衡各个模块的短板。准备这道题的队伍我的建议很简单从最扎实的机械开始把图像标定做仔细PID参数耐心地一点点凑调试界面一定要可视化。把这四件事做到位基础题拿高分是真的不难。本文还有配套的精品资源点击获取