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简介：基于STM32与线性CCD的寻迹测速智能车工程，面向嵌入式初学者、毕业设计或课程设计人群，完整覆盖硬件驱动、传感器采集与控制算法等关键环节。项目利用线性CCD提取赛道黑线，配合霍尔直流减速电机和编码器测速，通过PID运算完成寻迹控制，并借助电机PI算法实现速度闭环，是一套可直接运行和调试的完整方案。压缩包共包含170个文件，以C语言源码、头文件及Keil工程文件为主，兼顾编译中间文件、配置脚本和说明文档，整体大小仅7.15兆字节，结构清晰，便于导入工程后快速定位模块。目前已有三百八十余人学习下载，对于希望进阶STM32应用、理解PID控制或准备智能车竞赛的读者，能够提供从原理到代码的直观参考，尤其适合作为毕设选题或实训项目的起步模板。

1. 基于STM32的线性CCD寻迹测速智能车，先明确这条技术路径能解决什么

全国大学生智能车竞赛的竞速组和不少毕设都选“STM32 + 线性CCD + 编码器”这套方案：TSL1401 一类的线性图像传感器负责找赛道线，电机尾部编码器负责告诉主控轮子在真实物理世界里转得够不够快。多数人上手时只盯着 CCD 图像折腾二值化和阈值，车一上跑道，弯道丢线、直道冲线，才发现测速闭环才是“压得住车速”的另一半。

这条技术路径的核心是双闭环控制：外环用线性CCD算转向误差，内环用编码器测速做电机速度闭环，两个环共享同一份误差信息。本文直接给出从接线、像素处理、测速折算到两个 PID 协调的常规做法，适合手上有 STM32F103 开发板、正准备搭车架或做毕设的读者。看完能按章节复现一台能稳定巡线、速度可预期的智能车。

2. 线性CCD与STM32的硬件接线：TSL1401采集、电机驱动与编码器接口

线性CCD 与面阵摄像头最大的区别是只有一行感光单元。以常用的 TSL1401CL 为例，它内部是128个光电二极管排成一条线，输出一路模拟电压AO，像素值越大表示照得越亮。它不像摄像头那样自带帧同步，SI、CLK 两条控制线全靠主控用 GPIO 模拟，积分时间也由主控决定“多久去读一次”，所以先接线、再对齐时序，后面所有寻迹处理才有意义。

2.1 STM32F103 的最小外设资源与引脚分配

跑通一台寻迹测速车，STM32 端需要 ADC、定时器、GPIO 三类资源。以最常见的 STM32F103C8T6 为例，引脚分配建议如下：

选型理由：TIM1 是高级定时器，后续要加互补输出或刹车控制比较方便；编码器必须接在定时器的两个输入通道上，并且不能和 PWM 定时器共用，否则计数会干扰占空比更新。留一路 USART 给调试用，跑车时通过串口把 CCD 图像和速度数据发回电脑，这是后面调参的基本手段。

2.2 TSL1401 的帧读出时序与 ADC 采样对齐

TSL1401 的一个完整读帧过程是：先把 SI 拉高，产生一个 CLK 上升沿锁存当前积分结果，再拉低 SI，然后连续输出 128 个 CLK 脉冲，每来一个上升沿，AO 脚就移出下一个像素的模拟电压。这里最容易被忽视的问题是“先发完时钟再采数”顺序反了，导致采到的数据整体错位一个像素。

工程上的常规写法是 ADC 开 DMA，每个 CLK 上升沿之后由软件调用一次采样触发，DMA 自动把结果搬进内存，128 个值收完后产生中断或置一个完成标志：

#define CCD_PIXELS 128 uint16_t ccd_buf[CCD_PIXELS]; volatile uint8_t ccd_done = 0; void CCD_ReadFrame(void) { HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)ccd_buf, CCD_PIXELS); // SI=1，CLK 上升沿，锁存一帧 HAL_GPIO_WritePin(CCD_SI_GPIO_Port, CCD_SI_Pin, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(CCD_CLK_GPIO_Port, CCD_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(CCD_CLK_GPIO_Port, CCD_CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(CCD_SI_GPIO_Port, CCD_SI_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 剩余 127 个 CLK，每拍移出一个像素 for (int i = 1; i < CCD_PIXELS; i++) { HAL_GPIO_WritePin(CCD_CLK_GPIO_Port, CCD_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(CCD_CLK_GPIO_Port, CCD_CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET); } ccd_done = 1; }

逻辑说明：DMA 在HAL_ADC_Start_DMA时就开始等待转换完成，CLK 每变化一次，ADC 采一个点。ccd_done放在主循环里被查询，主循环看到标志后再做阈值计算和找线。

参数说明：CCD_PIXELS必须和 DMA 传输长度一致；如果以后换用 256 像素的线性 CCD，只改宏和缓冲区大小不够，还要核对几张表是否同步。两个HAL_GPIO_WritePin调用之间的软件开销约几微秒，对 TSL1401 要求的几百 kHz 时钟完全够用。若在两帧读取之间主动延时几百微秒，等效于延长积分时间，画面整体变亮，这个延时就是 CCD 曝光调节的第一手段。

2.3 TB6612 电机驱动与编码器接线要点

驱动芯片选 TB6612 或 DRV8833 都行，两者都是小封装、逻辑电平直驱，不需要额外光耦。PWM 频率常见设 10~20 kHz，避开人耳敏感频段，电机噪音小，占空比线性度也比 1 kHz 好。方向控制用两个 GPIO 决定正反转，PWM 脚负责调速。

编码器接线要特别说明：带霍尔编码器的直流减速电机输出 A、B 两相方波，两者相位差 90°，A 超前 B 为正转。把 A、B 接到同一个定时器的两个输入通道，配置成TIM_ENCODERMODE_TI12，STM32 硬件会自动对两个通道的上升沿和下降沿都计数，得到 4 倍频计数，低速时测速分辨率最高。

提示：编码器的 5V 和 GND 从电机电源处分出来单独走线，信号线尽量短且避开 PWM 线；刹车瞬间电流冲击很容易让 CCD 的 AO 模拟电平出现毛刺，表现为图像上某几个像素突然异常亮。

3. 线性CCD寻迹核心算法：滤波、二值化与转向误差提取

接线正确只能保证 AD 值跳变，真正决定车能不能走直线的是主循环里这段“图像理解”代码。128 个像素的灰度曲线里，黑线表现为一个低谷，赛道底表现为平台，但实际环境会有反光、阴影和杂物，所以处理顺序一般是滤波、找阈值、提取线中心、最后转成转向误差。

3.1 先做轻量滤波：为什么不能直接拿原始像素找线

TSL1401 模拟输出本身噪声不大，真正的问题来自曝光不均和个别像素点受干扰。单独一个像素跳变就会让“找最小值”的算法瞬间把线中心指到错误位置，因此滤波必须做，又不能太重。128 点数据做 3 点均值滤波是竞赛里最常见的折中：

void CCD_Filter3(uint16_t *src, uint16_t *dst) { dst[0] = src[0]; dst[CCD_PIXELS - 1] = src[CCD_PIXELS - 1]; for (int i = 1; i < CCD_PIXELS - 1; i++) { dst[i] = (uint16_t)((src[i - 1] + 2 * src[i] + src[i + 1]) >> 2); } }

逻辑说明：这是一个窗口大小为 3 的加权均值滤波，中心像素权重为 2，两侧各为 1，右移两位相当于除以 4。它没有中值滤波那样彻底的尖峰去除能力，但计算量极小，在 128 个点上通常 1~2 微秒完成，不挤占主循环时间。

参数说明：如果跑车环境光线稳定，甚至可以去掉滤波只做一次“最小值邻域比较”——连续三个像素都比左右低，才认定为中心。滤波窗口不要加到 7 以上，黑线在图像里经常只有 5~10 个像素宽，窗口太大直接把线“抹平”了。

3.2 动态阈值与二值化的两种做法

阈值的作用是把灰度图像变成“白底、黑线”二值图。固定阈值在竞赛现场换一个灯光环境就要重新标定，不太实用。动态阈值的简单实现是统计整帧最大值和最小值后取中值：

uint8_t threshold_map[CCD_PIXELS]; void CCD_Binarize(uint16_t *pixel, uint16_t threshold) { for (int i = 0; i < CCD_PIXELS; i++) { threshold_map[i] = (pixel[i] < threshold) ? 1 : 0; } }

这个threshold推荐在每帧数据里现场计算，常用公式是threshold = (max_pixel + min_pixel) / 2。逻辑很简单，因为 CCD 视野中只有赛道底和黑线两类物体，两端灰度区分明显；但要注意，当车冲上坡道，整个视野变暗时，最大值下降、最小值也下降，动态阈值会跟着变，比固定阈值稳得多。

如果比赛场地光照闪烁严重，中值法会失效，这时可以用大津法（Otsu）。128 个像素统计灰度直方图后计算类间方差，耗时约几百微秒，放到 10 ms 的主循环里完全可接受。工程上更常见的做法是先固定曝光时间，再在每帧里根据上次的阈值做增量修正，既能避免 Otsu 的抖动，又能适应光照渐变。

3.3 线中心提取：极值法与边沿法

这是寻迹算法里最直接影响转向的部分。极值法认为“最暗的点就是赛道线中心”，实现最简单，对单根黑线效果好；边沿法则先找到黑带的左边界和右边界，取中点作为线中心。极值法代码如下：

int CCD_GetCenterByMin(uint16_t *pixel) { uint16_t minv = 0xFFFF; int minpos = CCD_PIXELS / 2; for (int i = 0; i < CCD_PIXELS; i++) { if (pixel[i] < minv) { minv = pixel[i]; minpos = i; } } return minpos; }

逻辑说明：把整帧最暗像素的下标当作赛道线位置，返回范围 0~127。转向误差用error = center - 64计算，正值表示线在右侧，负值表示线在左侧。

极值法的盲区在黑线附近出现反光或杂色时，比如白色反光点把某个像素拉得很亮没关系，但如果出现一块 случайный黑色污渍，中心会被吸过去。边沿法更抗这类问题：

int CCD_GetCenterByEdge(uint16_t *pixel, uint16_t threshold) { int left = -1, right = -1; int last_black = 0; for (int i = 1; i < CCD_PIXELS - 1; i++) { int black = (pixel[i] < threshold); if (black && !last_black) { left = i; // 检测到由白到黑的跳变 } if (!black && last_black && left >= 0) { right = i; // 检测到由黑到白的跳变 break; } last_black = black; } if (left < 0 || right < 0) return -1; return (left + right) / 2; }

逻辑说明：代码先找第一段“白到黑”的边界，再找紧接着的“黑到白”边界，两个边界取平均就是黑带中心。返回 -1 表示这一帧没有找到一组完整边沿，也就是丢线。

3.4 丢线处理与转向 PD 输出

丢线是最常见也最致命的场景，车在急弯或大倾角下视野里可能完全没有黑线。正确的做法是维持上一帧的误差方向，而不是直接把误差清零：

int last_error = 0; int valid_count = 0; int GetTrackError(uint16_t *pixel) { int center = CCD_GetCenterByEdge(pixel, threshold); int error; if (center < 0) { valid_count++; if (valid_count > 5) { error = 0; // 连续 5 帧丢线，回到直行 } else { error = last_error; // 短暂丢线，沿原方向保持 } } else { valid_count = 0; error = center - 64; last_error = error; } return error; }

转向通道不直接给 PWM 值，而是把误差转换成“左右轮目标速度的差值”。常见映射是比例项加微分项：

float turn_pd = 0.0f; float last_err = 0.0f; #define TURN_KP 3.2f #define TURN_KD 0.6f float UpdateTurn(int error) { turn_pd = TURN_KP * error + TURN_KD * (error - last_err); if (turn_pd > 50.0f) turn_pd = 50.0f; if (turn_pd < -50.0f) turn_pd = -50.0f; last_err = error; return turn_pd; }

参数说明：TURN_KP的数值与误差量纲强相关。误差是像素数，最大约 64，乘 3.2 后最大输出约 205，但被限幅在 ±50，这个限幅值代表左右轮目标速度的最大差值。TURN_KD不要设太大，CCD 每帧数据本身有噪声，微分项放大噪声后会让转向抖动，表现为车头高频摆动。调转向参数时先只留 P，等直道稳定了再加一点点 D。

4. 编码器测速与速度闭环控制：把转速变成可控制的 PWM 输出

测速部分的难点不在于读编码器，而在于把脉冲数换算成物理量，再让 PID 输出平滑地作用到 PWM 上。很多代码跑起来车一抖一抖，问题都出在速度量纲混乱、控制周期不稳、输出限幅不合适这三件事上。

4.1 编码器脉冲与轮轴转速的换算关系

常见带霍尔编码器的直流减速电机，编码器装在电机轴上。以一款常见电机为例：霍尔编码器 13 线，减速比 1:30，STM32 编码器模式 4 倍频。每圈脉冲数的计算方式是：

每轴圈脉冲 = 编码器线数 × 倍频 × 减速比 = 13 × 4 × 30 = 1560 脉冲/圈

也就是说，轮轴转一圈，定时器计数增加 1560。控制周期如果用 10ms，每周期读到的计数值除以 1560，就是 10ms 内轮轴转过的圈数。不同批次电机参数可能有差异，正确做法不是信规格书，而是上电后手动转车轮一定圈数，观察计数是否吻合，误差超过 2% 就要修正参数。

速度计算可以直接使用“每周期计数增量”作为控制量，不换算成 m/s，这样可以省掉浮点除法，目标速度也用计数增量表示即可。如果需要在屏幕上显示实际车速，再乘一圈周长换算。

4.2 增量式 PID 在定时器中断里的实现

速度环必须在固定时间周期里执行，不能用主循环里的软件延时凑合。工程上最稳妥的做法是配置一个 10ms 定时器中断，中断里读取编码器计数值、清零计数器，然后调用 PID 并更新 PWM 占空比。增量式 PID 避免了位置式 PID 的积分饱和问题：

float speed_pid_out = 0.0f; float e_last = 0.0f, e_prev = 0.0f; float SpeedPID(int target_pulse, int current_pulse) { float e = (float)(target_pulse - current_pulse); float delta = KP_SPEED * (e - e_last) + KI_SPEED * e + KD_SPEED * (e - 2.0f * e_last + e_prev); speed_pid_out += delta; if (speed_pid_out > PWM_MAX) speed_pid_out = PWM_MAX; if (speed_pid_out < -PWM_MAX) speed_pid_out = -PWM_MAX; e_prev = e_last; e_last = e; return speed_pid_out; }

逻辑说明：target_pulse是 10ms 内期望的编码器计数增量，current_pulse是实际增量。误差缩小到零时，增量式 PID 输出不再变化，因此它能自然保持当前 PWM 状态，不会像位置式那样一直累计误差。输出限幅PWM_MAX通常取 700~900（对应 16 位定时器 ARR 值），防止启动瞬间占空比直接拉满。

参数说明：KI_SPEED是积分项系数，这里由于是增量式，积分项实际作用在误差本身上，系数过大会在匀速阶段产生周期性波动，常见表现为电机声音忽高忽低。KD_SPEED对转速噪声特别敏感，编码器在低速时脉冲间隔不均匀，微分项会把这种不均匀放大，所以速度环一般KD给很小或者干脆给 0。

4.3 转向误差如何干预目标速度

如果转向和速度两个环完全独立，弯道会非常难控制：转向环拼命把轮子掰向一边，速度环却固执地要把速度维持在直道水平，结果就是侧滑丢线。竞赛方案里通常用弯道降速函数把两部分耦合起来：

int speed_target = BASE_SPEED - (int)(SPEED_DROP_K * fabs(error)); if (speed_target < MIN_SPEED) speed_target = MIN_SPEED;

error就是第 3 章算出的转向误差，误差越大说明赛道弯曲越明显，目标速度越低。SPEED_DROP_K一般取 2~8，具体要看赛道最大曲率。取值太大会让直道上一点点微抖就造成明显减速，取值太小则高速入弯时速度降不下来。BASE_SPEED和MIN_SPEED都用“每周期编码器计数增量”这个量纲，与速度 PID 保持一致。

速度环收敛后，整车的动态行为会变得“听话”：直道误差小，目标速度高；入弯误差变大，目标速度自动下降；出弯后误差回落，速度再提上去。这就是外环目标给内环、内环执行目标的级联控制，也是整套寻迹测速方案最标准的结构。

5. 调参顺序与实测技巧：先盯曝光和阈值，再动 PID 增益

把代码烧进去只完成一半，剩下的时间都在调参。最忌讳的是上来就改速度 PID，三四个参数一起动，车跑起来完全不知道是谁的问题。我的做法是固定一套调试工序，每一步只换一个变量。

5.1 用串口把 CCD 曲线和速度搬到电脑上

先不要着急跑车，把车架空，轮子悬空，在主循环里用串口把一帧像素数据和两个电机的转速吐出来：

void DebugOutput(uint16_t *pixel, int error, int speed_l, int speed_r) { printf("E,%d\r\n", error); printf("S,%d,%d\r\n", speed_l, speed_r); for (int i = 0; i < CCD_PIXELS; i += 8) { printf("C,%d,%d\r\n", i, pixel[i]); } }

逻辑说明：串口助手里能看到E开头的是转向误差，S开头的是左右轮速度，C开头的是 CCD 像素值。上位机用一个简单的数据可视化工具，或者直接用串口助手自带的曲线功能，就能看到 128 点像素曲线里黑线的位置。

提示：串口波特率建议 115200，控制周期 10ms 时每秒打印约 100 帧，数据量完全够用。不要在定时器中断里打印，串口阻塞会直接破坏控制周期，造成速度环抖动。

5.2 一套可行的调车顺序

优先调转向、后调速度的逻辑是：转向环作用在目标速度上，速度环只是执行者。如果转向误差本身不稳定，速度环调得再完美，车也会因为目标速度乱变而发飘。反过来，速度环没调好，转向正常也白搭，PWM 输出抖动会让 CCD 画面跟着晃动。

5.3 最后看数据，不靠感觉

车跑完一圈，别只说“感觉好多了”，把记录下来的误差和速度数据拉出来看。转向误差曲线应该是平滑起伏的，如果出现等间距锯齿，说明 CCD 采样噪声没滤干净；速度误差曲线稳态波动应该在 ±3% 以内，否则检查编码器接线和 PID 周期是否稳定。每次改完参数都要保留一版上一轮的调试记录，对比同一赛道段的误差峰值和超调量，这样 10 次调试迭代后车况会明显收敛。

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