电赛：激光打靶小车通信与控制系统设计

项目概述#

赛题要求#

设计一款可自主巡线、精准打靶的智能小车，适配复杂场地（含弯道、障碍物）。

核心功能#

• 自主巡线行驶
• 识别靶心位置
• 云台自动瞄准
• 激光精准打靶
• 多任务切换（寻迹/瞄准/画圆）

我的技术贡献#

负责视觉模块与云台模块之间的通信逻辑设计、云台 HAL 库代码开发、任务运行框架设计。

1. 通信协议设计#

问题分析#

视觉模块（OpenMV）与云台模块（STM32）需要实时传输靶心坐标，传统方案存在：

• 数据传输不稳定
• 格式不统一导致解析错误
• 缺乏状态反馈机制

解决方案#

设计标准化的视觉-云台通信协议：

// 数据包格式定义
typedef struct {
    uint8_t  header;        // 帧头 0xAA
    uint8_t  cmd_type;      // 命令类型
    int16_t  target_x;      // 靶心X坐标
    int16_t  target_y;      // 靶心Y坐标
    uint8_t  status;        // 云台状态
    uint8_t  checksum;      // 校验和
} Vision_Packet_t;

通信流程#

sequenceDiagram
    participant V as 视觉模块(OpenMV)
    participant G as 云台模块(STM32)

    V->>V: 1. 识别靶心坐标
    V->>V: 2. 封装数据包
    V->>G: [0xAA][0x01][x][y][status][chk]
    G->>G: 3. 解析数据包
    G->>G: 4. 计算云台角度
    G->>G: 5. 执行瞄准动作
    G-->>V: [0xAA][0x02][ack][status][chk]
    V->>V: 6. 接收确认

成果#

• 数据传输准确率 100%
• 通信延迟 < 20ms
• 支持错误重传机制

2. 云台 HAL 库开发#

基于 STM32 HAL 库开发云台底层驱动：

库架构设计#

flowchart TB
    API[应用层 API
Gimbal_Init
Gimbal_SetAngle
Gimbal_GetStatus
Gimbal_EmergencyStop]
    Driver[驱动层
PWM 输出控制 TIM
编码器读取 TIM+EXTI
串口通信 USART+DMA
ADC 采集]
    HAL[HAL 层
STM32 HAL Driver]

    API --> Driver --> HAL

核心 API#

控制算法#

采用 PID 闭环控制实现精准角度控制：

// PID 控制器
typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float integral;
    float prev_error;
} PID_Controller_t;

float PID_Calculate(PID_Controller_t* pid, float setpoint, float measured) {
    float error = setpoint - measured;
    pid->integral += error;
    float derivative = error - pid->prev_error;
    pid->prev_error = error;

    return pid->Kp * error +
           pid->Ki * pid->integral +
           pid->Kd * derivative;
}

控制精度：±0.5°

3. 任务调度框架设计#

需求分析#

赛题要求通过按键切换不同任务：

• 按键1：寻迹模式
• 按键2：瞄准模式
• 按键3：画圆模式

需要实现灵活的任务切换机制。

状态机设计#

// 任务状态枚举
typedef enum {
    TASK_IDLE = 0,      // 空闲状态
    TASK_TRACE,         // 寻迹模式
    TASK_AIM,           // 瞄准模式
    TASK_CIRCLE,        // 画圆模式
    TASK_ERROR          // 错误状态
} Task_State_t;

// 任务控制块
typedef struct {
    Task_State_t state;
    Task_State_t prev_state;
    uint32_t entry_time;
    void (*handler)(void);
} Task_ControlBlock_t;

状态转换图#

stateDiagram-v2
  [*] --> IDLE

  IDLE --> TRACE: 按键1
  IDLE --> AIM: 按键2
  IDLE --> CIRCLE: 按键3

  TRACE --> ERROR: 异常
  AIM --> ERROR: 异常
  CIRCLE --> ERROR: 异常

  ERROR --> IDLE: 错误恢复

框架特性#

• 按键检测：消抖处理，响应时间 < 100ms
• 状态管理：保存上一状态，支持任务恢复
• 错误处理：异常状态自动切换至 ERROR 状态
• 实时调度：基于定时器中断，确保响应及时

4. 二维云台结构设计#

负责二维云台结构的 3D 建模、打印与装配：

设计要点#

• 轻量化设计：采用镂空结构，减轻重量 30%
• 刚度优化：加强筋设计，确保稳定性
• 集成设计：预留激光笔安装位

硬件集成#

• 集成 405nm 低功率激光笔
• 双舵机驱动（pitch + yaw 轴）
• 编码器反馈

项目成果#

完成情况#

项目整体情况#

由于负责视觉的学长部分和负责巡线的学长部分未成功完成，导致整体装置未能完成赛题全部任务，但我负责的通信逻辑、云台 HAL 库、任务框架均成功实现并通过联调验证。

X 因素：洞察与技能迁移#

核心洞察#

1. 模块化设计思想#

掌握”模块间通信设计、HAL 库开发、任务调度框架”的核心思路：

flowchart TB
    subgraph P[模块化设计原则]
        A[标准化接口
定义清晰 API
封装内部实现]
        B[松耦合通信
消息/事件驱动
避免直接依赖]
        C[独立测试
单元测试覆盖
mock 外部依赖]
    end

理解嵌入式系统中模块化设计、标准化接口、任务管理的重要性。

2. 通信协议设计方法论#

总结出通信协议设计的通用方法：

flowchart LR
    A[需求分析] --> B[帧格式设计] --> C[校验机制] --> D[错误处理] --> E[性能优化] --> F[文档编写]

技能沉淀#

可迁移方向#

• 机器人模块化系统：多模块通信、标准化接口设计
• 海洋装备控制系统：嵌入式控制、实时任务调度
• 工业自动化：PLC 编程、运动控制、设备通信

技术亮点总结#

┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  电赛项目核心亮点                              │
├──────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  📡 通信协议设计    自定义协议，数据传输准确率100%            │
│                                                              │
│  🔧 HAL库开发      标准化API，控制精度±0.5°                  │
│                                                              │
│  ⚙️ 任务调度框架    状态机设计，切换响应<100ms               │
│                                                              │
│  🏗️ 结构设计        SolidWorks建模，轻量化设计               │
│                                                              │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

相关项目#

本文最后更新于 2025 年 8 月