电赛：车载平衡控制系统

项目定位：2026 年全国大学生电子设计竞赛 H 题。以 STM32 + FreeRTOS 为主控、Jetson Nano 为视觉上位机，在车辆循迹行驶的同时完成摆杆上钢球的实时平衡控制。我负责 MCU 端软件开发与 PCB 设计。

项目架构

MCU 端软件没有用「裸机 + 一堆全局函数」的写法，而是复用了之前沉淀的 《单片机工程架构》 一文中的 oop-in-c 分层架构：

• HAL 层：把 STM32 HAL/LL 库函数统一封装成自己的接口，换 MCU 时只需改这一层；
• Device 层：以「类 + 对象」组织外设，用 ops 结构体注册每个外设的操作函数；
• Board 层：绑定具体引脚与板级配置，暴露对象地址；
• Facade / App 层：面向业务做预封装，最终在任务里按业务调用对象操作。

这样红外传感器、正交编码器、AT8236 驱动、闭环步进电机等外设都被抽象成可替换的对象，循迹、速度环、平衡环这些业务代码不再直接依赖具体引脚和库函数，新增外设或整体移植到其他 MCU 都更省事。

控制难点

• 底盘行驶与钢球平衡是两条相互耦合的回路——车体的加减速与转向会持续扰动摆杆上的钢球，而钢球位置又需要靠摆杆角度去补偿。
• 小钢球的滑动摩擦力极小，最大摩擦力难以使用模型求出，会导致哪怕是同一角度，我们也不能保证球体一定会冲破最大静摩擦力。在实际工程中，我们发现Kp在这个控制中几乎没有作用。我们通过Ki不断积分误差值，以对抗静摩擦力的作用。
• 钢球的定位只能依赖视觉，同时硬件受限，无法精准求出钢球运行速度，可以实时反馈给下位机钢球位置。也就是说，我们下位机必须依靠位置间接地控制速度。Kd以及阻尼系数用来提前为钢球做减速运动，直至其在目标点停止。

实现要点

• 红外循迹与滤波：基于八路红外传感器与加权误差算法计算角度偏差，结合低通滤波抑制数据突变，提高角度的平顺性。
• 底盘速度闭环：基于 AT8236 电机驱动与正交编码器反馈构建串级 PID 闭环，实现电机调速与稳态控制。
• 视觉反馈链路：上位机部署 YOLOv8，在不同光照条件下以约 30 FPS 识别钢球，实时输出位置并估计速度；MCU 端通过 UART 中断接收并解析位置数据，经低通滤波与速度估计后，为平衡控制提供稳定可用的反馈量。
• 钢球平衡控制：以位置环 PID 融合速度阻尼计算摆杆目标角度，驱动闭环步进电机执行角度调节，形成完整闭环控制链路，实现钢球在 2 s 之内将误差控制在 ≤ ±0.5 cm。
• 调试与可观测性：使用 CMake + DAPLink + OpenOCD 搭建 GDB MCP Server，让 AI Agent 规范化参与到 MCU 的 Debug 中；同时支持在上位机进行 PID 参数在线整定及关键变量波形观测，便于快速定位控制振荡、数据跳变与执行器响应问题。

技术栈

STM32 · FreeRTOS · 串级 PID · YOLOv8 · UART · 闭环步进电机 · 嘉立创 EDA

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