STM32 灰度循迹小车：8 路传感器 + PID + 舵机转向

STM32F103 灰度循迹小车完整实战——CD4051 多路复用采集 8 路灰度、加权位置误差建模、抗饱和 PID 转向、弯道自动减速与舵机平滑步进，5ms 控制周期全闭环。

发布 DATE: 2026.09.22
字数 WORDS: 1,050
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一条黑线、一台小车、一套完整闭环。这个项目用一颗 72MHz 的 STM32F103C8T6，把 8 路灰度传感器、加权位置误差、抗饱和 PID、舵机转向和双后轮调速串成了一条 200Hz 的控制链路，是嵌入式入门到进阶的完整实战参考。

系统架构

               ┌──────────────────────────────────────────────┐
               │              STM32F103C8T6  72MHz             │
               │                                              │
┌──────────┐   │  ┌────────┐   ┌─────────┐   ┌────────────┐   │   ┌─────────┐
│ 8 路灰度  │──▶│  │ ADC1   │──▶│  加权    │──▶│  PID 控制  │──▶│  MG995   │
│ 传感器    │   │  │ PA1    │   │  位置误差│   │  kp/ki/kd  │   │  舵机     │
│ (CD4051) │   │  └────────┘   └─────────┘   └─────┬──────┘   │   │ 前轮转向  │
└────┬─────┘   │  PB0/PB1/PB10 选通道               │          │   └─────────┘
     │         │                                    ▼          │
3 位地址线      │                            ┌────────────┐   │   ┌─────────┐
               │                            │ 弯道减速策略 │──▶│  L298N   │
               │                            │ PWM 调制    │   │  双后轮  │
               │                            └────────────┘   │   └─────────┘
               └──────────────────────────────────────────────┘
                            控制周期: 5ms (200Hz)

硬件平台

项目	规格
MCU	STM32F103C8T6（Cortex-M3, 72MHz, 64KB Flash, 20KB SRAM）
电机驱动	L298N 双 H 桥，A/B 通道分别驱动两后轮
舵机	MG995 金属齿，前轮转向，6V 独立供电
传感器	8 通道灰度模块（CD4051 多路复用 + 模拟输出）
电源	12V 锂电池 + DC-DC 6V/3A（舵机独立供电）

注意：MG995 堵转电流可达 2.5A，不能从 L298N 板载 5V 取电，否则 STM32 会复位。

核心亮点

资源利用

CD4051 多路复用：仅用 1 个 ADC 通道（PA1）+ 3 根地址线（PB0/PB1/PB10）轮流采样 8 路灰度，引脚与 ADC 资源占用降到最低；
TIM1 双通道共享时基：CH1/CH4 输出两路独立 2kHz PWM 分别驱动左右后轮，每轮独占通道避免并联超流；
TIM2 舵机 PWM：72MHz/72 = 1MHz 计数，1us 分辨率 + ARR=19999 → 精确 50Hz，脉宽直接映射角度；
无中断、无 DMA：全部轮询实现，逻辑简单、行为可预测。

算法优化

8 路加权位置误差：对称权重 [-7,-5,-3,-1,1,3,5,7]，对压线传感器取平均，把离散开关量变成连续位置量；
抗饱和 PID：积分限幅（±30）+ 误差过零清零，避免大弯道积分饱和导致超调振荡；
弯道自动减速：误差越大 PWM 越低（最多降至直道 40%），无需额外传感器；
舵机平滑步进：每周期脉宽最多变化 25us 逼近目标角度；
丢线容错：8 路全部丢线时沿用上次误差，保持转向趋势而非急停。

关键算法

加权位置误差

通道	0	1	2	3	4	5	6	7
权重	-7	-5	-3	-1	+1	+3	+5	+7

1	error = (Σ 权重[i]) / (压在黑线上的传感器个数)

线居中 → error ≈ 0 → 直行；线偏右 → error > 0 → 舵机右打。误差范围 [-7, +7]。

平滑步进：抗抖动核心

误差短暂回零时，PID 输出会瞬间跳回 0°，舵机会”打一下又抽回中位”。解决方法是每控制周期最多改变 25us 脉宽，把”瞬间跳到绝对角度”变为”持续朝目标角度逼近”，±60° 全行程约 70ms 到位——想更跟手就调大 SERVO_MAX_STEP，想更柔和就调小。

调参指南

实测初值（APP/trace_task.c）：

kp = 12.0f;  ki = 0.0f;  kd = 6.0f;   /* 实测初值 */
integral_limit = 30.0f;               /* 积分限幅 */
base_pwm = 400;                       /* 直道 PWM (~40%) */
min_pwm  = 250;                       /* 弯道 PWM 下限 (>电机死区) */
max_servo = 60;                       /* 舵机限幅 ±60° */

PID 整定顺序：先 kp（增大至小幅震荡再回退一档）→ 再加 kd（抑制震荡、改善过弯手感）→ 最后 ki（循迹场景多为 0）→ 验证（直道画 S 减小 kp，弯道冲出减小 base_pwm 或增大 kd）。

常见问题排查

现象	排查方向
舵机抖动 / STM32 复位	舵机是否独立供电、是否共地；调小 `SERVO_MAX_STEP`
舵机转向后抽回中位	确认使用 `Servo_Set_Angle_Smooth()`
ADC 全 0 或全满	PA1 须为模拟输入；检查灰度模块输出类型
直行偏向一侧	微调 `SERVO_CENTER`（1500 ±10us 标定）
全亮/全灭不启动	安全锁机制：把车正常压在线上再上电

工程分层

src/stm32-firmware/
├── APP/      # 应用层：加权误差 + PID + 弯道降速（trace_task.c）
├── BSP/      # 板级层：delay / 灰度 / 电机 / 舵机 / 串口
├── CMSIS/    # Cortex-M3 内核 + 启动文件
├── FWLib/    # ST 标准外设库
└── USER/     # 工程入口：main.c + AllHeader.h

基于 ST 标准外设库（SPL）开发，无 RTOS、无中断，适合作为嵌入式入门到进阶的完整实战参考。

仓库

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