STM32F103 循迹小车全栈实战：从红外传感到 PID 闭环

目录

• 1. 引言：小车为什么走蛇形？
• 2. 系统总览与硬件架构
  • 2.1 主控与核心模块
  • 2.2 为什么选 TB6612 而不是 L298N
  • 2.3 系统框图
• 3. 红外循迹原理
  • 3.1 物理原理
  • 3.2 传感器阵列布局
  • 3.3 红外反射原理图
• 4. CubeMX 配置（HAL 库基础）
  • 4.1 时钟配置
  • 4.2 TIM2 → PWM 输出（电机调速）
  • 4.3 TIM3/TIM4 → 编码器模式
  • 4.4 GPIO 配置
  • 4.5 USART1
  • 4.6 配图建议
• 5. 标准库代码实现
  • 5.1 红外传感器读取（tracking.c）
  • 5.2 电机驱动（motor_drive.c）
  • 5.3 编码器测速（encoder.c）
  • 5.4 PID 控制器（pid.c）
  • 5.5 主循环
• 6. HAL 库代码实现
  • 6.1 红外读取（与标准库逻辑相同，使用 HAL API）
  • 6.2 电机控制（基于 CubeMX 生成的 htim4）
  • 6.3 编码器测速
  • 6.4 主循环（HAL）
• 7. PID 参数整定方法
  • 7.1 三步整定法
  • 7.2 典型参数范围（智能小车循迹）
  • 7.3 工程经验
  • 7.4 PID 控制框图
• 8. 调试与常见问题
  • 8.1 上电调试顺序
  • 8.2 常见问题排查
  • 8.3 调试流程图
• 9. 进阶拓展
  • 9.1 多传感器融合
  • 9.2 速度闭环 + 位置闭环双环控制
  • 9.3 复杂路径识别
  • 9.4 双环 PID 控制框图
• 10. 关键参数速查表
• 11. 总结

1. 引言：小车为什么走蛇形？

很多同学第一次做循迹小车，都会遇到一个经典问题：小车明明能跟线，却总是左右摇摆，走出一条蛇形轨迹。还有人发现电机只发出"嗡嗡"的啸叫声，轮子却纹丝不动。这两个问题，一个指向控制算法，一个指向 PWM 频率配置——而它们恰恰是循迹小车从"能跑"到"跑得稳"的分水岭。

循迹技术，简单来说，就是让小车沿着地面上的引导线自主行驶。它看似只是"跟着线走"，背后却串联起一条完整的嵌入式技术链路：先用红外传感器感知地面黑白差异，把物理位置信息变成电信号；再由主控芯片读取这些信号，判断小车相对黑线的偏移；接着通过电机驱动模块控制左右轮转速，让小车修正方向；而要让修正过程平滑、不抖动，还需要编码器测速和 PID 闭环控制来精确调节。这条"感知 → 决策 → 执行 → 反馈"的闭环，正是循迹小车的技术骨架，也是本文将要逐步展开的主线。

这篇文章面向 STM32F103 平台，从红外传感、电机驱动、编码器测速到 PID 闭环，覆盖循迹小车的完整技术链路。代码同时给出标准库与 HAL 库（含 CubeMX 配置）两套实现，方便不同工程习惯的读者对照使用。

2. 系统总览与硬件架构

2.1 主控与核心模块

2.2 为什么选 TB6612 而不是 L298N

实测数据对比如下：

• 效率：TB6612 90-95%，L298N 仅 60-70%，前者发热量显著降低
• PWM 响应：TB6612 上升时间 120ns，L298N 800ns
• 持续电流：TB6612 1.2A/通道，L298N 2A/通道
• 逻辑电平：TB6612 支持 3.3V，直接匹配 STM32；L298N 需 5V 逻辑

💡 小车项目首选 TB6612；若电机工作电压 >13.5V 或持续电流 >1.2A，再考虑 L298N。

2.3 系统框图

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反馈

传感器阵列

主控 STM32F103

电机驱动 TB6612

直流电机

编码器

图1 系统框图：传感器阵列 → 主控 → 电机驱动 → 电机 → 编码器 → 反馈回主控，形成闭环。硬件实物图与接线图请参考文末附录。

3. 红外循迹原理

3.1 物理原理

红外发射管持续发射 850-940nm 红外光，地面反射后被接收管捕获：

• 白底：反射率 70-80%，接收管导通 → 输出低电平
• 黑线：反射率 10-20%，接收管截止 → 输出高电平

⚠️ 电平极性取决于具体模块设计，以实际模块调节/取反为准。TCRT5000 配合 LM393 比较器，通过电位器设定阈值，输出数字量。

3.2 传感器阵列布局

3-5 路传感器线性排布，常见权重赋值：

通过加权求和得到位置偏差 error，输入 PID 控制器。

3.3 红外反射原理图

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发射

白底反射率 70-80%

黑线反射率 10-20%

红外发射管850-940nm

地面

接收管导通输出低电平

接收管截止输出高电平

图4 红外反射原理图：发射管→地面→反射→接收管的光路示意。五路传感器间距建议 1.5-2cm，匹配黑线宽度 1.8cm。

4. CubeMX 配置（HAL 库基础）

4.1 时钟配置

• HSE 8MHz → PLL → HCLK 72MHz
• APB1 定时器时钟 36MHz / APB2 定时器时钟 72MHz

4.2 TIM2 → PWM 输出（电机调速）

• Channel1/2 配置为 PWM Generation CH1/CH2
• 对应引脚 PA0/PB8（用户原有工程使用 PB8/PB9）
• Prescaler = 71，Period = 99 → 10kHz PWM（电机运行最平稳的频率）
• 用户原代码 TIM_Prescaler=7199 是错误值，必须改为 71

4.3 TIM3/TIM4 → 编码器模式

以 TIM3 为例：PA6/PA7 接编码器 A/B 相。

• Combined Channels 选择 Encoder Mode
• 参数设置：Encoder Mode = TI1 and TI2（4 倍频），Counter Period = 65535，ICFilter = 4（中等滤波）
• 引脚 GPIO Settings 设为 Pull-up

4.4 GPIO 配置

• 五路红外输入：PA4、PB5、PB1（用户指定）等，配置为 Input 模式
• 电机方向控制：PB12-PB15，配置为 GPIO_Output
• STBY 引脚（TB6612）：Output，初始 High

4.5 USART1

Asynchronous，115200bps，用于调试输出。

4.6 配图建议

• 图7 CubeMX 时钟树配置截图
• 图8 CubeMX TIM2 PWM 参数配置截图（突出 PSC=71, ARR=99）
• 图9 CubeMX TIM3 编码器模式配置截图（突出 TI1 and TI2）
• 图10 CubeMX 引脚分配总览图

5. 标准库代码实现

5.1 红外传感器读取（tracking.c）

// tracking.c – 五路红外循迹
#define LEFT_PIN GPIO_Pin_4 // PA4
#define CENTER_PIN GPIO_Pin_5 // PB5
#define RIGHT_PIN GPIO_Pin_1 // PB1

void Tracking_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LEFT_PIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = CENTER_PIN;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RIGHT_PIN;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

// 返回 -1/0/+1 表示位置偏差方向
int8_t Tracking_GetError(void)
{
uint8_t L = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, LEFT_PIN) == Bit_RESET;
uint8_t C = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, CENTER_PIN) == Bit_RESET;
uint8_t R = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, RIGHT_PIN) == Bit_RESET;

if (C && !L && !R) return 0; // 中间在线上
if (L && !R) return –1; // 偏左
if (R && !L) return 1; // 偏右
return 2; // 丢线
}

5.2 电机驱动（motor_drive.c）

// 基于用户原有 TIM4 PWM 代码修正版
void Motor_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure = {0};
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure = {0};

// 方向引脚 PB12-PB15
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 |
GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// PWM 引脚 PB8/PB9
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 10kHz PWM：72MHz / 72 / 100 = 10kHz
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 71; // 修正：原为 7199
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 99;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStructure);

TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC3Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC3PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
}

// 设置电机速度（-99~99，正前进负后退）
void Motor_SetSpeed(int8_t left, int8_t right)
{
// 左电机
if (left >= 0) {
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); // AIN1=1
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13); // AIN2=0
} else {
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13);
}
TIM4->CCR3 = abs(left);

// 右电机
if (right >= 0) {
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14);
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_15);
} else {
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_15);
}
TIM4->CCR4 = abs(right);
}

5.3 编码器测速（encoder.c）

// TIM3 编码器模式
void Encoder_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure = {0};
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure = {0};

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_TIM3, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);

TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 4;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

// 编码器模式：TI1 和 TI2 均计数（4 倍频）
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12,
TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 读取编码器计数（定期调用并清零）
int16_t Encoder_ReadAndClear(void)
{
int16_t cnt = (int16_t)TIM3->CNT;
TIM3->CNT = 0;
return cnt;
}

5.4 PID 控制器（pid.c）

typedef struct {
float target;
float actual;
float err;
float err_last;
float integral;
float Kp, Ki, Kd;
float out_min, out_max;
} PID_TypeDef;

float PID_Calc(PID_TypeDef *pid, float actual)
{
pid->actual = actual;
pid->err = pid->target – actual;
pid->integral += pid->err;

// 积分限幅，防饱和
if (pid->integral > 1000) pid->integral = 1000;
if (pid->integral < –1000) pid->integral = –1000;

float out = pid->Kp * pid->err +
pid->Ki * pid->integral +
pid->Kd * (pid->err – pid->err_last);
pid->err_last = pid->err;

// 输出限幅
if (out > pid->out_max) out = pid->out_max;
if (out < pid->out_min) out = pid->out_min;
return out;
}

5.5 主循环

int main(void)
{
Motor_Init();
Tracking_Init();
Encoder_Init();
uart_AInit();

PID_TypeDef pid = {
.target = 0, // 目标偏差 0（居中）
.Kp = 15.0f, .Ki = 0.2f, .Kd = 3.0f,
.out_min = –99, .out_max = 99
};
const int8_t BASE_SPEED = 50;

while (1)
{
// 1. 读取位置偏差
int8_t err = Tracking_GetError();

// 2. PID 计算转向修正量
float steer = PID_Calc(&pid, (float)err);

// 3. 差速控制
int8_t left = BASE_SPEED – (int8_t)steer;
int8_t right = BASE_SPEED + (int8_t)steer;

// 4. 限幅并输出
if (left > 99) left = 99; if (left < –99) left = –99;
if (right > 99) right = 99; if (right < –99) right = –99;

Motor_SetSpeed(left, right);
Delay(10); // 10ms 控制周期
}
}

6. HAL 库代码实现

6.1 红外读取（与标准库逻辑相同，使用 HAL API）

// tracking_hal.c
uint8_t Tracking_Read(void)
{
uint8_t status = 0;
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4) == GPIO_PIN_RESET)
status |= 0x04; // 左
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_5) == GPIO_PIN_RESET)
status |= 0x02; // 中
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
status |= 0x01; // 右
return status;
}

6.2 电机控制（基于 CubeMX 生成的 htim4）

// motor_hal.c
void Motor_SetSpeed(int8_t left, int8_t right)
{
if (left >= 0) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
} else {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
}
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_3, abs(left));

if (right >= 0) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_RESET);
} else {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_SET);
}
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_4, abs(right));
}

6.3 编码器测速

// encoder_hal.c
void Encoder_Init(void)
{
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);
}

int16_t Encoder_ReadAndClear(void)
{
int16_t cnt = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0);
return cnt;
}

6.4 主循环（HAL）

int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_TIM2_Init();
MX_TIM3_Init();
MX_TIM4_Init();
MX_USART1_UART_Init();

HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_4);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);

PID_TypeDef pid = {0};
pid.target = 0;
pid.Kp = 15.0f; pid.Ki = 0.2f; pid.Kd = 3.0f;
pid.out_min = –99; pid.out_max = 99;
const int8_t BASE_SPEED = 50;
uint32_t last_tick = 0;

while (1)
{
if (HAL_GetTick() – last_tick >= 10) // 10ms 控制周期
{
last_tick = HAL_GetTick();
int8_t err = Tracking_GetError();
float steer = PID_Calc(&pid, (float)err);
int8_t left = BASE_SPEED – (int8_t)steer;
int8_t right = BASE_SPEED + (int8_t)steer;
Motor_SetSpeed(left, right);
}
}
}

7. PID 参数整定方法

7.1 三步整定法

7.2 典型参数范围（智能小车循迹）

7.3 工程经验

• 采样周期 10-20ms，太短引入噪声，太长响应迟钝
• 必须做积分限幅防止积分饱和
• PWM 频率 10kHz 时电机运行最平稳
• 编码器 100ms 读取一次计数并清零，避免溢出

7.4 PID 控制框图

#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 svg{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 p{margin:0;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .label{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .label text,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node rect,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node circle,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node ellipse,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node polygon,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .rough-node .label text,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node .label text,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .image-shape .label,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .rough-node .label,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node .label,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .image-shape .label,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .icon-shape,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .icon-shape p,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-cuLnOrhLBLIH6iS1 :root{–mermaid-font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;}

反馈

目标速度/位置

误差

PID 控制器

PWM

电机

编码器

图11 PID 控制框图。阶跃响应曲线：P 控制震荡、PD 控制收敛、PID 控制无静差三种对比，可用串口绘图工具观察 Kp 从小到大的响应变化。

8. 调试与常见问题

8.1 上电调试顺序

8.2 常见问题排查

8.3 调试流程图

#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde svg{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde p{margin:0;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .label{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .label text,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node rect,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node circle,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node ellipse,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node polygon,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .rough-node .label text,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node .label text,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .image-shape .label,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .rough-node .label,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node .label,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .image-shape .label,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .icon-shape,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .icon-shape p,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-3vBeu2RGRoaYmRde :root{–mermaid-font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;}

电机测试

PWM 输出测试

编码器测试

红外传感器校准

基础循迹（状态机）

PID 优化

图14 调试流程图：从电机测试到 PID 整定的 6 步顺序。示波器截图（10kHz vs 100Hz 波形对比）与电源去耦电路图（100μF 电解 + 0.1μF 陶瓷电容并联）建议用真实截图补充。

9. 进阶拓展

9.1 多传感器融合

• 超声波 + 红外：循迹同时避障
• 摄像头 + 红外：摄像头做主循迹，红外做兜底

9.2 速度闭环 + 位置闭环双环控制

• 外环：位置 PID（红外偏差 → 目标速度差）
• 内环：速度 PID（编码器反馈 → PWM 占空比）

9.3 复杂路径识别

• 十字路口、T 型路口、圆环的处理逻辑
• 基于状态机的路径决策

9.4 双环 PID 控制框图

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实际速度

实际位置

目标位置

位置误差

位置 PID外环

目标速度差

速度误差

速度 PID内环

PWM

电机

编码器

图17 双环 PID 控制框图。复杂路径状态机：直行/左转/右转/十字/圆环的状态迁移，可参考此框图设计。

10. 关键参数速查表

11. 总结

循迹小车看似简单，难点在于机械对称性和电源完整性。电机、轮胎、底盘的微小差异都会导致跑偏，单纯靠算法难以完全弥补。调试时先确保硬件对称，再调软件参数。

回顾开篇的两个问题：电机只响不转，多半是 PWM 频率太低，把 PSC 从 7199 改成 71 就能解决；小车走蛇形，则是因为纯逻辑控制缺少平滑过渡，引入 PID 差速后轨迹会明显收敛。希望这篇文章能帮你把小车从"能跑"调教到"跑得稳"。

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