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简介：面向电磁循迹与恩智浦智能车竞赛的PID调节工程包，适合具备STM32基础、正在攻克电感采集与舵机/电机闭环调试的参赛者与自动化学习者。压缩包共192个文件、约5.76MB，以47个C头文件、43个C源文件为核心，辅以Keil工程配置、编译输出与少量说明文档，覆盖定时器、Flash、LCD、MPU6050姿态解算及DMP驱动等模块，可用于对照理解工程组织与底层驱动写法。已有4694人学习。读者可从中获取电磁循迹小车的完整代码框架、传感器数据处理思路和PID参数整定参考，结合赛道条件反复试验比例、积分、微分项，观察舵机角度与后轮转速的响应，进而排查振荡、迟滞与静态误差，以及从硬件连接到软件实现的综合调试路径。工程保留中间产物与批处理脚本，也便于复现编译环境和定位常见构建问题。

1. 电磁循迹小车 PID 调节：为什么同一套代码换条赛道就跑歪

车在直道上跑得笔直，一进弯就贴着内道切出去，把 Kp 调大一点又变成左右画龙——这大概是电磁循迹小车调试里最常见的一幕。这份资源给的就是一套能直接编译的电磁循迹小车 PID 调节工程：电感采集、归一化、差比和算偏差、舵机 PD 打角、电机增量式 PID 差速，参数集中在一张表里，改完烧进去就能试。适合正在做循迹小车、卡在“参数到底怎么调”这一步的开发者，也适合想把控制环拆开单独验证的人。下面按信号链、控制层、工程结构、排查、二次开发的顺序拆，照着能先把车跑起来，再动手改。

2. 信号链拆解：从电感谐振到一路可信的偏差量

整车的控制效果上限，其实在信号链这一层就定死了。后面 PID 调得再花，只要喂进去的偏差量本身带跳变、带零点漂移，舵机就会跟着抖。所以先把电感怎么选、怎么采、怎么变成 -1 到 +1 的偏差讲清楚，再谈控制。

2.1 电感布局与谐振采集电路

赛道导线里通的是交变电流，周围产生同频交变磁场。车头的工字电感与并联电容组成 LC 并联谐振回路，谐振频率对准赛道电流频率时回路阻抗最大、感应电压最高，相当于把微弱磁场信号从环境噪声里“挑”出来。常见做法是电感取 10mH 量级，电容按 f = 1/(2π√(LC)) 反推，几百 nF 到 1nF 之间，对准 20kHz 左右。

检波有两条路：一条是二极管检波加 RC 滤波，直接得到直流量，电路简单、响应快，但二极管压降会吃掉小信号，温度一变零点就飘；另一条是让 ADC 在谐振周期内多次采样取峰值或有效值，或者用运放做精密整流，动态范围更好，代价是要多花一点 CPU 和采样时序设计。工程里用的是后者，采样窗口由定时器触发，和 PWM 开关沿错开。

电感布局决定了偏差量的“形状”。常见的是四电感方案：左右两个横置电感对横向偏移敏感，左右两个竖直电感对弯道方向敏感；也有加中间电感的五电感方案，用来判断是否正压在导线上。

注意：竖直电感的权重不要一上来就给大。它的信号在直道上差值很小，一旦权重过高，直道会被噪声推着走，表现出来就是“直道画龙”。

2.2 归一化与差比和：把电压变成可信的偏差

原始 ADC 值不能直接用。电感离地高度变一点、电池电压掉一点、赛道电流源换一个，绝对值全变，昨天调好的 Kp 今天就不对了。所以第一步是归一化，把每个通道压到 0.0 到 1.0 之间，靠的是实测标定出来的底噪和峰值两个基准。

#define IND_NUM 4 #define IND_MIN 30 /* 电感远离导线时的底噪，实测标定 */ #define IND_MAX 3800 /* 电感正对导线时的峰值，实测标定 */ static uint16_t adc_raw[IND_NUM]; static float ind_norm[IND_NUM]; /* 把原始 ADC 值压到 0.0 ~ 1.0，消掉高度、供电、赛道电流带来的整体缩放 */ void Ind_Normalize(void) { for (int i = 0; i < IND_NUM; i++) { int32_t v = (int32_t)adc_raw[i] - IND_MIN; if (v < 0) v = 0; if (v > (IND_MAX - IND_MIN)) v = IND_MAX - IND_MIN; ind_norm[i] = (float)v / (float)(IND_MAX - IND_MIN); } } /* 差比和：左右横电感之差 ÷ 左右之和，输出 -1.0 ~ +1.0 的偏差 */ float Ind_GetError(void) { static float last_err = 0.0f; float l = ind_norm[IND_L]; float r = ind_norm[IND_R]; float sum = l + r; if (sum < 0.05f) { /* 两边都没信号，基本等于脱线 */ return last_err; /* 保持上一次偏差，交给状态机处理 */ } last_err = (l - r) / sum; return last_err; }

IND_MIN和IND_MAX是拿着车在赛道上实测出来的：把车放在导线正上方读一次峰值，把车横移到完全没信号的位置读一次底噪，多测几个点取平均。sum < 0.05f这个阈值是脱线判据，太小会误判，太大会漏判，一般取满量程的 3% 到 5%。

差比和的好处在于分母是 l+r，天然带归一化：车正好压在中间时 l≈r，输出接近 0；信号整体变弱时分子分母同步缩小，输出基本不变。这比直接用 (l-r) 稳得多。

竖直电感要单独融合进来，用来提前感知弯道：

/* 横竖融合：横电感管偏移，竖电感管弯道方向 */ float Ind_GetErrorFused(void) { float err_h = Ind_GetError(); float err_v = (ind_norm[IND_VL] - ind_norm[IND_VR]) / (ind_norm[IND_VL] + ind_norm[IND_VR] + 0.05f); return 0.8f * err_h + 0.2f * err_v; /* 权重按赛道曲率调 */ }

分母加 0.05f 是防止两边都接近零时除出个巨大的数，这是血泪经验——不加这一项，直道上偶尔会蹦出一个 ±5 的偏差，舵机当场打满。

进控制环之前还要过一道滤波。电感信号里混着 PWM 开关噪声和电源纹波，不滤直接送进微分项，Kd 会被放大成抖动：

/* 一阶低通：alpha 越小越平滑，但相位滞后越大 */ static float Lpf(float in, float *state, float alpha) { *state += alpha * (in - *state); return *state; }

采样率 100Hz 时 alpha 取 0.2 到 0.4 比较合适。alpha 再小，弯道入口的相位滞后会让车“慢半拍”，表现出来就是进弯晚、出弯冲。

3. 控制层拆解：舵机 PD 和电机 PID 到底各管什么

很多人调车调不明白，是把舵机环和速度环当成一个东西在调。实际上舵机是位置伺服，给什么角度转什么角度，属于快环；电机是速度伺服，有加减速惯性，属于慢环。两个环的周期、参数意义、限幅方式都不一样，混在一起调必然翻车。

3.1 舵机 PD：输出的是打角，不是速度

舵机接收的是 PWM 占空比对应的目标角度，所以用位置式 PD，不需要积分项——加了积分反而会在长直道上累积，出弯时猛地一甩。微分项用偏差的差分近似，因为控制周期固定，差分本身就等价于变化率，不用再除 dt。

typedef struct { float kp; float kd; float kff; /* 陀螺仪前馈系数 */ float out_limit; /* 打角限幅，单位是 PWM 计数值 */ float last_err; float out; } SteerPD; float Steer_Calc(SteerPD *s, float err, float gyro_z) { float diff = err - s->last_err; /* 周期固定，差分即变化率 */ s->last_err = err; float out = s->kp * err + s->kd * diff + s->kff * gyro_z; /* 前馈：车头已经开始转，提前打角 */ if (out > s->out_limit) out = s->out_limit; if (out < -s->out_limit) out = -s->out_limit; s->out = out; return out; }

参数怎么起手：kp先给 60 到 120（对应舵机 PWM 计数值的量级，具体看你的舵机行程标定），把kd和kff都置零，推车走直道看回正力度；回正够了但进弯过冲，再往上加kd，一次加 1 到 2；等kd加到开始出现高频抖动，就往回退两档，这是kd的实际上限。kff最后加，配合陀螺仪 Z 轴角速度，能让车在弯道入口提前打角，观感上就是“车知道要转弯了”。

还有两个容易被忽略的细节：舵机中值必须单独标定，机械安装误差会让中值偏离 1500，写死会一直往一边跑；打角限幅要留余量，打满 100% 的舵机在弯道里没有调整空间，遇到突发偏差只能硬顶。

3.2 电机增量式 PID：抗饱和、切换无扰

电机这边用的是增量式 PID，输出的是 PWM 增量而不是绝对占空比：

typedef struct { float kp, ki, kd; float e1, e2; /* e(k-1), e(k-2) */ float out; float out_max; } IncPID; float IncPID_Calc(IncPID *p, float target, float feedback) { float e0 = target - feedback; /* 增量式标准形式：Δu = Kp·(e0-e1) + Ki·e0 + Kd·(e0-2e1+e2) */ float du = p->kp * (e0 - p->e1) + p->ki * e0 + p->kd * (e0 - 2.0f * p->e1 + p->e2); p->e2 = p->e1; p->e1 = e0; p->out += du; if (p->out > p->out_max) p->out = p->out_max; if (p->out < -p->out_max) p->out = -p->out_max; return p->out; }

选增量式而不是位置式，主要图两点：一是切换目标速度时没有积分累积要清理，从 0 直接跳到 2m/s 也不会猛冲；二是限幅后out被钳住，下一拍du是在钳位值上继续累加，天然带一点抗饱和的意味。但要注意，out被限幅后必须回写进结构体，不写回去，积分项照样在内部涨，这就是典型的积分饱和。

速度环周期一般取 20ms，比舵机环慢四倍。太快的速度环会因为编码器分辨率不够而抖，太慢又跟不上弯道的速度规划。

差速分配放在速度环外面：

/* 差速：基础速度 ± 转向修正，转向修正由打角或偏差给出 */ void Motor_Output(void) { float base = g_param.base_speed; float steer = steer.out / steer.out_limit; /* 归一化到 -1 ~ 1 */ float diff = g_param.diff_gain * steer; /* 弯道降速：偏差越大，基础速度压得越低 */ base *= (1.0f - g_param.curve_slow * fabsf(steer)); float target_l = base - diff; float target_r = base + diff; int16_t pwm_l = (int16_t)IncPID_Calc(&pid_l, target_l, Encoder_GetL()); int16_t pwm_r = (int16_t)IncPID_Calc(&pid_r, target_r, Encoder_GetR()); Motor_SetPwm(pwm_l, pwm_r); }

diff_gain决定转向的“力度”，curve_slow决定弯道降速比例，一般 0.2 到 0.4。这两个参数是替代“调 Kp 调不出来”的关键——很多车进弯冲出去，不是舵机 Kp 不够，而是弯道速度没降下来。

3.3 两个环的时序关系

舵机环每 5ms 跑一次，速度环每 20ms 跑一次，都在同一个定时器节拍里按计数分频执行。舵机环的快，是为了让打角能跟上偏差的瞬时变化；速度环的慢，是因为电机本身有惯性，跑太快只会让 PWM 抖成噪声。

提示：控制周期一旦定下来就不要随手改。Kd 项的物理意义依赖固定周期，改了周期不改参数，等于把调好的微分作用整体缩放了一遍，之前的整定全部作废。

4. 工程结构与调度：定时器节拍、状态机和参数表

代码能跑和代码能改，是两件事。这套工程在结构上把“采样—计算—输出”和“参数—状态—存储”分开了，好处是调参不用翻控制代码，改控制不用动参数表。

4.1 目录结构与模块职责

EMC_TrackCar/ ├── Core/ 芯片启动、时钟配置、中断向量表 ├── Drivers/ 外设驱动：ADC、PWM、编码器、UART、陀螺仪 ├── App/ │ ├── sensor/ 电感采样、归一化、滤波、偏差融合 │ ├── control/ 舵机 PD、电机增量式 PID │ ├── chassis/ 差速分配、速度规划 │ └── app_task.c 定时节拍调度、状态机 ├── Param/ │ └── param.c 参数结构体、默认值、Flash 读写 └── Tools/ 串口波形脚本、参数下发工具

分层的边界要守住：control层不允许直接读 ADC 寄存器，也不允许直接写 PWM 寄存器，全部走sensor和Drivers的接口。这样换一块板子，只需要改Drivers，控制逻辑一行不动。

4.2 定时节拍与状态机

节拍由定时器更新中断驱动，中断里只做计数和置标志，实际计算放在主循环或者低优先级任务里，避免中断里跑浮点运算拖长响应：

/* 5ms 节拍，定时器更新中断 */ void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF) { TIM3->SR = ~TIM_SR_UIF; g_tick_5ms = 1; /* 只置标志，不算浮点 */ } } /* 主循环里消费节拍 */ void App_Loop(void) { static uint8_t cnt = 0; if (!g_tick_5ms) return; g_tick_5ms = 0; Ind_Sample(); /* 采样 + 归一化 + 滤波 */ float err = Ind_GetErrorFused(); Steer_Calc(&steer, err, Gyro_GetZ()); /* 舵机环，每拍都跑 */ App_StateMachine(); if (++cnt >= 4) { /* 20ms 一次速度环 */ cnt = 0; Speed_Loop(); } Motor_Output(); }

状态机负责处理脱线、发车、停车这些边界情况，别小看它——脱线保护写不好，车冲出赛道后会满速撞墙：

typedef enum { ST_IDLE, ST_RUN, ST_LOST, ST_STOP } CarState; void App_StateMachine(void) { static uint16_t lost_ms = 0; switch (state) { case ST_RUN: if (Ind_AllDark()) { state = ST_LOST; lost_ms = 0; } break; case ST_LOST: /* 用最后一次有效偏差方向低速找线，超时则停车 */ lost_ms += 5; if (Ind_AnyValid()) { state = ST_RUN; lost_ms = 0; } else if (lost_ms > 300) { state = ST_STOP; } break; case ST_STOP: Motor_SetPwm(0, 0); break; default: break; } }

lost_ms > 300就是 1.5 秒的找线窗口，太短会在颠簸处误停车，太长会让车带着错误方向跑很远。

5. 常见问题排查：实车上那几种“看着像玄学”的抖动

调车调到怀疑人生的时候，问题多半不在 PID 参数上，而在信号或者时序。下面这几条是反复踩过的，按“现象 → 原因 → 解决”记下来，比盲调参数省时间。

5.1 信号层的问题

现象一：静止时电感值纹丝不动，电机一转就乱跳。原因是电机 PWM 的开关噪声通过电源和地串进了 ADC，采样时刻正好落在 MOS 开关沿上。解决方式是把 ADC 触发源改成定时器触发，采样窗口对齐到 PWM 中心，避开开关沿；电感地和功率地单点连接，别在板上随便铺；输入端加一级 RC，截止频率压在几 kHz。

现象二：换一块场地，直道偏差就不为零了。原因是归一化基准IND_MIN/IND_MAX是写死的，而赛道电流、环境磁场、电感离地高度都变了。解决办法是上电自标定：发车前让车停在赛道中央静止 200ms，采一段峰值，再把车横移到无信号位置采一段底噪，把两个值写进 RAM 的基准变量，归一化函数读这两个变量而不是宏。

现象三：直道好好的，远处弯道提前“看到”，车提前切内道。原因是电感前瞻太远，或者竖直电感权重给大了。竖直电感在直道上的差值本来就小，权重一大，噪声被放大成假弯道。做法是把err_v的权重从 0.2 往下压到 0.1，或者干脆只在横电感差值超过阈值时才启用竖直分量。

5.2 控制层的问题

现象四：直道上小幅高频抖，肉眼看着像车在“颤”。原因通常是kd太大，或者微分项之前没滤波。偏差本身带 10 到 30 个 ADC 码的噪声，差分之后放大十倍，舵机就在中值附近来回打。解法是先对diff单独做一阶低通，再乘kd；或者把kd直接砍半，用前馈补回响应。

现象五：进弯冲出去，出弯甩尾。这个最容易被误判成舵机 Kp 不够。实际原因多半是两个：一是弯道没有降速，速度环目标速度恒定，舵机打到限幅也拉不回来；二是没有前馈，纯反馈永远慢半拍。做法是加曲率前馈或者陀螺仪前馈，同时用curve_slow把弯道基础速度压下来 20% 到 40%。

注意：排查顺序永远是“先看信号，再看时序，最后看参数”。偏差量本身在跳，参数怎么调都是白搭，这也是我一般建议在工程里留一路串口波形的原因——把err、steer.out、pwm三条曲线打出来，问题基本一眼就能看出来。

6. 二次开发：把整定流程做成可复现的验证方法

参数调通一次不难，难的是换车、换赛道、换电池之后还能快速复现。我的做法是把参数从代码里彻底拔出来，再把整定过程变成一套固定的验证动作，而不是靠手感。

先做参数表外置。所有可调量收进一个结构体，带 magic 校验，上电从 Flash 读，读失败就落回默认值，串口可以单条下发：

typedef struct { uint32_t magic; /* 0x5A5A1234，用来判断是否已初始化 */ float steer_kp, steer_kd, steer_kff; float speed_kp, speed_ki, speed_kd; float base_speed, diff_gain, curve_slow; } CarParam; CarParam g_param; void Param_Load(void) { /* 从 Flash 最后一页读结构体，magic 不匹配就用编译期默认值 */ if (*(uint32_t *)PARAM_ADDR != PARAM_MAGIC) { Param_SetDefault(); Param_Save(); } else { memcpy(&g_param, (void *)PARAM_ADDR, sizeof(g_param)); } } /* 串口命令：SET steer_kp 85，解析后直接改 g_param */ void Param_OnCommand(const char *name, float val) { if (!strcmp(name, "steer_kp")) g_param.steer_kp = val; if (!strcmp(name, "steer_kd")) g_param.steer_kd = val; if (!strcmp(name, "base_speed"))g_param.base_speed = val; /* 其余字段同理，注意加范围钳位 */ }

验证方法我固定成三组动作，每次改完参数都跑一遍：静态阶跃——把车架空，手动把偏差从 0 跳到 0.5，看打角响应有没有超调、稳定时间多少；方波跟踪——用串口以 1Hz 下发 ±0.3 的偏差方波，看打角能不能跟上、有没有滞后；实车直线——直道全速跑，看偏差曲线是不是贴着零线走。三组都过了再上弯道，能省掉大量“改一个参数跑一圈”的时间。

一个具体技巧：kd的整定不要看车，看波形。把err和steer.out同时打出来，理想的曲线是打角略超前于偏差变化；如果打角曲线和偏差曲线完全同相，说明kd还没起作用；如果打角在偏差反向之后还在往原方向走，就是kd过头了。

从那以后我每次改控制参数，都强制先跑一遍静态阶跃再上车，哪怕只改了一个数。省下来的不是调试时间，是舵机和齿轮的钱。希望帮到你。

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