题目归属：2023 年全国大学生电子设计竞赛 E 题《运动目标控制系统》
本仓库定位：以 STM32F103 + 双路步进电机 + K230 视觉 实现的云台闭环方案（相对舵机方案的「步进版」）
MCU：STM32F103C8（标准外设库）｜视觉：K230 / 绿山派 ｜驱动：A4988 / DRV8825 / TMC2209（STEP/DIR）
E 题要求完成一套 「看见目标 → 控制执行机构 → 让激光/指示点跟上运动目标」 的系统，核心能力大致包括：
| 能力维度 | 题目侧关注点 | 本工程对应实现 |
|---|---|---|
| 目标感知 | 摄像头识别色块/激光/路径点，输出图像坐标 | K230 视觉脚本 + UART 定长二进制帧 |
| 二维控制 | 水平（Pan）+ 俯仰（Tilt）双轴云台 | 两路步进电机，独立位置环 |
| 动态跟随 | 目标运动时误差收敛、少抖、少丢步 | 像素误差 → PID → 每帧步数 → 可打断加减速运动 |
| 稳态品质 | 对准后抖动小、有死区与限幅 | ERR_DEADZONE、PID 输出限幅、Motor_Stop 平滑停 |
| 可演示性 | 方向可校、参数可调、现场可排障 | 假目标模式、OLED 实时 T/A/E/S、方向宏 |
题目本身不强制用舵机还是步进：舵机实现快、力矩包线友好；步进精度高、可开环累计位置、便于做平滑加减速与「步/帧」量化控制。本仓库选择后者，作为 E 题的 步进电机云台备赛/复现方案。
K230 每帧给出「实际点 actual」与「目标点 target」
→ STM32 算像素误差
→ 双轴 PID 输出「本帧要走的相对步数」
→ 双步进在中断里按梯形/三角加减速发 STEP 脉冲
→ 让 actual 追上 target（误差 → 0）
即：视觉闭环的二维跟踪云台，执行器是双步进，不是舵机。
同账号下另有舵机方案：2023-dian-sai-visual-gimbal。
| 对比项 | 舵机云台 | 本仓库（步进云台） |
|---|---|---|
| 执行器 | 舵机 PWM 角度 | 步进 STEP/DIR + 驱动板 |
| 控制量单位 | 度/帧 | 步/帧 |
| 位置模型 | 角度指令 | 开环累计步数 position |
| 运动品质 | 舵机内部曲线 | 显式梯形/三角加减速（v=√(v²±2a)） |
| 视觉协议 | 同一套 0xAA…0x55 思路 |
与本仓 k230 模块一致，便于双方案共用视觉脚本 |
┌─────────────────────┐
12V 电源 ────────►│ 双路步进驱动板 │────► 步进电机×2（水平 / 俯仰）
│ STEP/DIR/EN/GND │
└──────────▲──────────┘
│ STEP/DIR
┌──────────┐ UART 115200 ┌───┴──────────────┐ 软件 I2C ┌────────┐
│ K230 │──────────────►│ STM32F103C8 │───────────►│ OLED │
│ 视觉 │ TX → PA10 │ PID + 运动规划 │ PB8/PB9 │ 0.96" │
└──────────┘ └──────────────────┘ └────────┘
│ GND 共地 │ GND 共地
└──────────────────────────────┘
K230 视觉 --UART 115200--> k230 状态机 --> g_rect_data
|
actual=(x1,y1) target=(x2,y2)
v
err = target - actual（像素）
|
PID（输出：步/帧）+ 方向宏 + 死区
v
Motor_Move / Motor_Stop（可打断重规划）
MOTOR1=水平 MOTOR2=俯仰
|
v
OLED 显示 T / A / E / S
| 功能 | STM32 引脚 | 外设 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 水平轴 STEP | PA0 | TIM2_CH1 PWM | 硬件发脉冲 |
| 水平轴 DIR | PA3 | GPIO | 方向 |
| 俯仰轴 STEP | PA6 | TIM3_CH1 PWM | 硬件发脉冲 |
| 俯仰轴 DIR | PA7 | GPIO | 方向 |
| 视觉串口 RX | PA10 | USART1_RX | ← K230 TX |
| 视觉串口 TX | PA9 | USART1_TX | 可选回传 |
| OLED SCL/SDA | PB8 / PB9 | 软件 I2C | 调试显示 |
| EN | 按驱动板常使能 | — | 常见低有效接 GND |
- 典型 1.8° 步进：200 步/圈；× 细分倍数 = 软件步数。
- 工程注释默认按 32 细分 → 6400 步/圈 估算；拨码细分必须与软件一致，否则 PID 等效增益全错。
- 驱动板 VMOT 常用 12V，信号地与电源地、STM32、K230 必须共地。
- 详细接表、上电顺序、排障见仓库根目录
连线说明书.md。
| 方案 | 问题 |
|---|---|
| 主循环 bit-bang | 帧率一抖，脉冲周期就抖；双轴更难保证 |
| 延时发脉冲 | 占满 CPU，视觉 PID 被饿死 |
| PWM 硬件发 STEP + 更新中断只数步/改 ARR | 脉冲由硬件产生；中断只做「一步完成 → 更新速度 → 写 ARR」 |
时基取 1 MHz（PSC=71 @ 72 MHz），使 ARR ≈ 每步微秒数，调参与示波器对照都直观。
User/main.c # 双模式主循环：假目标 / 真视觉闭环
Hardware/
Motor.c / Motor.h # 【S级】双路步进 + 梯形/三角加减速
bsp_pid.c / bsp_pid.h # 【A级】位置式 PID（输出=步/帧）
k230.c / k230.h # 【A级】UART 帧状态机
bsp_usart.c / .h # USART1 初始化
OLED.* # 调试界面
Key / LED # 预留
System/ Library/ Start/ # 启动、延时、标准库
连线说明书.md # 硬件接线全文
Project.uvprojx # Keil 工程
定长 12 字节 二进制帧：
| 字段 | 内容 |
|---|---|
| 帧头 | 0xAA |
| x1,y1,x2,y2,z | 各 2 字节，大端有符号 int16 |
| 帧尾 | 0x55 |
本工程语义约定（与 2023 舵机云台一致）：
(x1, y1)= Actual 实际点（路径点 / 红点等）(x2, y2)= Target 目标点（激光或另一色点）- 闭环目标：
err = target - actual → 0 is_updated：中断解析成功置 1，主循环处理完必须清 0
解析在 K230_UART_Handler 中用 状态机 完成（等头 → 收 10 字节 → 校验尾），适合在 RXNE 中断里逐字节喂入，无动态内存。
out = Kp·e + Ki·∫e + Kd·(e − e_last)
e = target_pixel − actual_pixel
out 单位 = 本帧相对步数（再乘 PAN_DIR / TILT_DIR）
要点：
- 单位是步/帧，不是度；限幅
max_output≈40防止单帧猛甩丢步。 - 云台跟踪建议 先 Kp，略加 Kd，Ki 慎用（丢目标时积分易飙升）。
|err| < ERR_DEADZONE（默认 3 像素）时强制 0 步并Motor_Stop，抑制检测噪声抖动。- 默认参数见
main.c：水平约Kp=0.35，俯仰约Kp=0.27，可按负载与细分再调。
Motor_Move(id, steps)：
- 按
v² = v0² + 2·a·s规划加速段长度；总步数不够则 三角曲线，够则 梯形（加速–匀速–减速）。 - 每一步在更新中断里用
v = √(v² ± 2a)刷新速度，再写 ARR。 - 方案 A：运动中可再次
Motor_Move打断并重规划，绝对位置position保留。- 这是「demo 走完再走」与「视觉每帧改主意」的分界线。
- 旧逻辑「忙则丢指令」会导致跟手差，不适合 E 题动态目标。
平滑停用 Motor_Stop（估算减速段），不要指望 Motor_Move(0) 停车（0 会直接 return）。
| 宏 | 含义 | 用途 |
|---|---|---|
USE_FAKE_VISION = 1 |
固定 target/actual，大步分段测方向 | 不上 K230 也能验机械与轴方向 |
USE_FAKE_VISION = 0 |
读 g_rect_data 真闭环 |
正式视觉跟踪 |
联调推荐顺序：
- 假目标：确认水平/俯仰方向 → 反了改
PAN_DIR/TILT_DIR（±1） - 接 K230，真闭环：看 OLED 上 E 是否收敛、S 是否在动
- 调 Kp / 死区 / vMax / accel，平衡「跟手」与「抖」
| 行 | 含义 |
|---|---|
| T: X Y | Target 目标像素（假目标模式末尾带 F） |
| A: X Y | Actual 实际像素 |
| E: X Y | 误差 err = T − A |
| S: P T | 步进累计位置：Pan / Tilt |
现场判读：E 不收敛 → 方向/增益/视觉语义；E≈0 但抖 → 死区/Kd/vMax；S 不动 → 使能/细分/脉冲是否输出。
- Keil 打开
Project.uvprojx（或 EIDE / VS Code 的Project.code-workspace） - 目标芯片 STM32F103C8，下载器 SWD
- 按
连线说明书.md接好电机、驱动板、K230、共地
信号与共地接好 → 再开 12V 电机电源 → 再给 STM32/K230 上电（或按现场电源方案同时上，但避免「先转轴再飞线」）。
| 参数 | 默认倾向 | 说明 |
|---|---|---|
| 起步 v0 | 120 步/秒 | pull-in，过高易启动失步 |
| 峰值 vMax | 2500 步/秒 | 过高易共振啸叫 |
| 加速度 | 1200 步/秒² | 过高启停硬抖 |
| 像素死区 | 3 | 抑制微抖 |
| 现象 | 可能原因 | 处理 |
|---|---|---|
| 有啸叫几乎不转 | PID 每帧仅 1~2 步 + 频繁打断 | 假目标改大步分段；真闭环略增 Kp/max_output |
| 猛抖、失步 | vMax/accel 过大 | 降峰值与加速度 |
| 跟不住动态目标 | 忙时丢弃 Motor_Move |
使用可打断版 Motor_Move（本仓已实现） |
| 方向反了 | 安装镜像 / 接线 | PAN_DIR / TILT_DIR 取反 |
| 完全不转 | EN 未使能、未共地、无 12V | 查驱动板 EN 与电源 |
| 细分对不上 | 拨码 ≠ 软件假设 | 统一细分，重估 Kp |
| 串口无数据 | TX/RX 反、波特率、电平 | 115200 8N1，K230_TX→PA10，3.3V |
S 级（电机）
- 灵魂公式
v = √(v² ± 2a)逐步调速 - 三角 / 梯形自动切换
- PWM 硬件发脉冲，中断只数步调速
- ARR 不预装载 + 溢出瞬间更新，减滞后与毛刺
- 1 MHz 时基使 ARR 物理意义清晰
A 级（闭环）
- 定长帧状态机解析视觉坐标
- 像素 PID 与「步/帧」单位设计
- 死区 + 输出限幅 + 平滑停
- 可打断运动规划，服务视觉每帧更新
| 仓库 | 说明 |
|---|---|
| 2023-dian-sai-visual-gimbal | 2023 E 题 · 舵机视觉云台 |
| brushless-motor | 无刷相关实验 |
| lingke-6axis-gyro | 六轴 IMU |
| jy901s | 维特 JY901S |
| mpu6050 | MPU6050 + DMP |
本仓库用于 2023 电赛 E 题备赛学习与方案复现，硬件参数、PID 与运动学需按你的机械负载与细分自行标定。
欢迎 Issue / PR 补充实测参数、视觉脚本与演示视频链接。
题目：2023 年全国大学生电子设计竞赛 E 题 · 运动目标控制系统
方案：STM32 双步进 + K230 视觉闭环云台