2026 年电赛（TI 杯）控制类 H 题：8 路灰度循迹、直线/半圆分段控制与 S1/S2/S3 状态机
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本系列记录 MSPM0G3507 双主控小车从赛题分析、硬件搭建、底层驱动、循迹调试，到摆杆滚球控制和最终测评复盘的完整过程。文章中的路径均为仓库相对路径，代码、测试脚本和模块封装可以直接从公开仓库取得。
推荐阅读顺序
- 赛题拆解、总体方案与往年控制类小车赛题比较
- 硬件选型、接线与上电验证
- 软件架构、SysConfig 与模块化设计
- 编码器速度环、差速运动学、MPU6050 航向环与直线稳定
- 8 路灰度循迹、直线/半圆分段与 S1/S2/S3 状态机
- 摆杆机械结构、MaxiCamPro 测量、步进执行器与三层 PID
- MaxiCamPro、双主控通信、VOFA+ 遥测与可复现实验方法
- 完整测评流程、失败案例复盘、比赛策略与开源交付
全系列知识地图
总览
这道题不是单独写一个循迹 PID，而是把机械结构、电源、传感器、实时调度、速度闭环、航向辅助、视觉通信、双主控安全和赛道状态机组合成一个可测量、可恢复、可验收的系统。调试时坚持“每次只改变一个因素”，并用串口遥测、主机回归测试和实车视频记录证据。
仓库资料边界
- 小车运动主控工程：公开仓库根目录
smartcar_keil_diag/ - 通用模块封装：公开仓库中的
ModulePackage/ - 摆杆/滚球控制参考工程：
BalanceController/ - 硬件与接线说明：
Hardware/ - 主机测试与回归脚本：
Tests/ - 主控、蓝牙、VOFA+ 和双主控协议说明：仓库根目录下相应的
*.md文件
主控采用 LCKFB 天猛星 MSPM0G3507，车体约为 30 cm × 24 cm，车轮直径约 65 mm。实际使用的主要器件包括 JGB37-520 直流减速电机、TB6612 驱动器、MPU6050、8 路灰度传感器、MaxiCamPro 和无编码器步进执行器。涉及具体电气参数、安装尺寸和控制增益时，应以实测记录和仓库中的配置为准，不要直接照搬示例数值。
开源说明
完整工程、博客、测试脚本和模块封装均发布在 GitHub：
https://github.com/wengqidaifeng/smartcar_keil_diag
建议按 01→08 的顺序阅读；需要查代码时从 User/、Source/、ModulePackage/ 和 Tests/ 进入。文章中的结论区分为“源码已实现”“主机测试已验证”和“必须在实车/机构上复测”三类，便于后来者复现实验并继续改进。
第五篇：8 路灰度循迹、直线/半圆分段控制与 S1/S2/S3 状态机
1. 从“看见黑线”到“稳定跑完赛道”
8 路数字灰度只能告诉控制器哪些探头位于黑线上，真正的循迹能力来自四层处理：传感器位图与极性、加权偏差、控制律、赛道状态机。任何一层错误都可能表现为“PID 不好”。例如 X1/X8 左右接反会让控制方向完全相反；黑白极性颠倒会把全白当终点；第二段直线被相位逻辑判断成半圆，会调用高差速参数，即使直线 PID 本身正确也会蛇形。
本项目经历过从 8 路红外数字模块到 8 路灰度模块的更换。旧模块黑线低电平，新模块实测黑线高电平，并增加电平转换。若只替换硬件而不重新做逐路位图测试，旧代码里的取反会把全部状态反转。因此每次换传感器、安装高度或阈值后，都要从原始位图开始验证，而不是直接上赛道调 P。
2. 加权质心与偏差符号
X1 位于车体左侧，X8 位于右侧。可给八路分配 -7,-5,-3,-1,+1,+3,+5,+7，对所有 active 通道计算加权平均。若黑线落在 X4/X5，偏差接近零；落在右侧 X7/X8，偏差为正；落在左侧则为负。实际控制符号还要结合电机混控验证。
数字阵列的分辨率有限，位图会从 0x18 突然跳到 0x30，而不是连续变化。可以对质心偏差做一阶低通，但不能过度平滑；高速时延迟一两个周期就可能错过边缘。半圆内更需要保留原始偏差响应，直线则可以适度滤波。项目中采用原始值与滤波值混合，并对转向输出单独限速。
多个通道同时为黑可能表示宽线、启停线、弯道横向覆盖或传感器高度变化，不能简单等同于“十字路口”。有效通道数量、位图形状、持续时间、运行相位和里程应联合判断。全白表示暂时丢线、地图断线或传感器故障，也不能第一拍就停机。
3. 直线控制为什么要温和
直线的目标是让车头方向与黑线平行，而不是每次看到一点偏差就把车身快速横移。小车在直线上有前进速度，任何差速都会积累偏航角。P 过大时，边缘通道触发后车头迅速转向，等中心探头重新看到黑线时角速度仍然存在，车辆会穿过中心。
因此直线采用低 P、适量 D/角速度阻尼、小转向上限和较慢转向斜坡。中心 X4/X5 可设死区，避免传感器量化在中心两侧抖动；X2/X3 或 X6/X7 则逐级增加修正；X1/X8 最外侧需要更强救线，但仍要限幅，防止一次拉回直接越过另一侧。出弯恢复窗口的边缘救线与普通直线不同，应同时参考残余 yaw 和 gyroZ。
直线全白时，若最后有效线在左侧，应向左搜索；在右侧则向右搜索。搜索动作要比半圆正常控制保守，前进速度和半差速不能太大。重新检测到线后清除旧积分、微分和丢线方向历史，避免把搜索时的大误差带入正常 PID。
4. 半圆控制为什么需要前馈
BC/DA 是半径约 0.5 m 的半圆。若只用灰度误差反馈，车辆必须先偏离黑线才产生差速，速度越快越容易向圆外冲。几何前馈可以根据前进速度和目标曲率提前给出左右速度差。理想差速近似与 v·B/R 成正比，其中 v 为车速、B 为轮距、R 为半径。
前馈只提供维持圆弧的基础转向，灰度 PID 负责修正实际偏差，MPU 角速度/目标航向负责抑制过转或欠转。半圆内允许更高 P 和更大转向上限，但输出仍要斜坡，避免入弯第一拍从直线 0 差速跳到完整圆弧差速。
弯道中 X6、X7、X8（以实际转向方向为例）应逐级增强救线。最外侧通道代表车辆已经接近冲出圆外，调控力度必须大于内侧通道，但不能简单把全局 P 提高，因为全局 P 会同时破坏直线。正确做法是弯道状态下使用独立增益、独立上限和边缘增益表。
5. 直线和半圆如何可靠区分
仅靠编码器里程判断相位，会受到轮径、打滑、左右计数差异和地图尺寸误差影响。项目早期使用错误地图，并把旧地图里程按比例映射到正式地图，导致进入半圆晚、退出半圆晚：第一段弯道已经开始时仍用直线参数，第二段直线开始时还在用弯道参数。结果就是入弯靠全白搜索、出弯后大幅摆动。
可靠方法是“计划相位+传感器证据+IMU 角度+滞回”。编码器给出大致区间，灰度边缘和持续偏差表明真实曲线，MPU 同向角速度确认车体正在转弯，累计航向接近 180°提示即将出弯。进入条件和退出条件应不同，避免在边界来回切换。计划相位不能因短暂中心灰度或低角速度立即关闭圆弧，也不能在真实直线中只因一次边缘触发升级为半圆。
S3 第一段直线还采用运行时直线锁：前约 140 cm 保持起步航向和直线参数，防止编码器提前进入 BC 相位；随后解除锁，让正常半圆控制在 150 cm 切点前接管。若里程无效，则用约 7 s 作为释放兜底，但不自动停车。
6. 入弯与出弯的过渡
高速 S1 在进入半圆前需要提前降低前进目标，使车体在弯道入口前完成减速；但不能提前施加圆弧差速，否则直线末端会摆动。项目采用“提前减 forward、不提前转向”的策略。到达实际弯道证据后，再用转向斜坡建立前馈和反馈。
出弯更困难。车辆在累计转过接近 180°时，黑线可能已经回到中心，但车头仍有角度误差或角速度。若立即切回普通直线，车辆会沿错误切线冲向边缘。出弯恢复需要保留受限的航向修正，等中线稳定、角速度下降并经过一定距离后再完全释放。对于边缘仍压线的情况，应暂时保留同向转向而不是立刻反向制动，否则会在“少转”和“过转”之间反复摆动。
7. 全白、重捕获和断线
全白状态要区分三种场景。第一，直线短暂丢线：按最后偏差方向低速搜索；第二，半圆冲出：保持半圆方向并适当增强差速，但设时间和速度上限；第三，地图有明确断线区：保持低速等速直行，不按旧偏差持续转向。重捕获时用当前位图重新初始化误差滤波，不继承丢线前的微分尖峰。
项目曾出现小车几乎完全依赖全白后的右转完成半圆。表面上能绕过一圈，实质上灰度循迹没有及时起作用，速度稍变就丢线。判定是否真正循迹，可以看半圆中大部分时间是否有有效位图、转向是否在有线状态建立、全白占比是否低。全白搜索只能救急，不能成为主控制律。
8. 启停线和终点停车
正式启停线约覆盖四个探头，不再是 8 路全黑。起点按 K1 时中间四路可能为黑，状态机要允许启动并在连续离开宽线后重新武装。终点检测则必须满足运行时间门、末圈/相位门和通道模式。项目还加入“启动后前 10 s 禁止正常终点停车”，防止第一半圆前的四路黑或传感器毛刺导致提前停止。
终点命中后，要立刻把目标置零并选择主动刹车，不能继续执行一两个控制周期的旧 PWM。主动短刹保持有限时间后再释放，可缩短停车误差；时间过长会冲击齿轮和电源。S2 为连续带球循迹，按需求取消自动终点停止，只有 K1、显式命令或安全故障能停车。S3 也取消 B 点自动停车，避免编码器误差造成提前或延后停止。
9. S1、S2、S3 三种模式
S1 是不带滚球的高速整圈模式，目标是稳定满足 20 s 内一圈。它允许较快起步和更高直线速度，但半圆内部前进速度会受稳定性限幅，出弯和终点使用较强保护。S1 的高速并不是所有路段都同一个 forward，而是在不改变已验证弯道骨架的前提下提高直线效率。
S2 是带滚球的低扰动连续模式，直线与半圆速度更低，加速斜坡更缓，避免车体姿态突变。S2 不自动计圈停车，给摆杆主控连续稳定的运动环境。其成功标准不仅是跑完，还包括第二段直线不蛇形、两个半圆转向对称和滚球误差可控。
S3 用于第一段直线/入弯验证，当前采用约 27 cm/s，前 140 cm 保持直线锁，随后连续进入半圆。理论 A 到 B 时间约 6.23 s，为 8 s 指标留余量。S3 取消自动停车后，避免了“距离 B 还有 5～20 cm 提前停”和“减速后直接冲进半圆却不停”的不确定性，停止改由 K1 明确控制。
10. 往年循迹题经验怎样迁移
往年小车题常用固定赛道、十字、直角或 S 弯。本题的半圆曲率已知，更适合使用几何前馈和分段增益；长直线则更需要航向保持。直角题常采用原地转向和角度锁，本题半圆不应频繁原地转，否则速度和滚球都会受到冲击。S 弯题常用连续曲率估计，本题可简化为明确的直线/圆弧状态，但边界必须可靠。
通用经验仍然成立：先低速跑通、再增加速度；先保证方向和极性、再调 PID；终点识别要有重新武装；丢线恢复要保存方向；速度环比直接 PWM 更稳定。不同之处在于本题带有上层滚球对象，所有速度阶跃、急刹和车身振荡都会影响另一个控制系统，因此“能跑完”还不够，必须追求平滑和可预测。
11. 本篇结论
循迹稳定的核心不是一个神奇 PID，而是让每种赛道状态使用合适的模型：直线低增益和航向阻尼，半圆几何前馈和高差速，边界采用证据与滞回，丢线采用受限搜索，终点采用严格门控和主动停车。S1/S2/S3 把不同评分目标封装为模式，避免现场临时改常数。只要状态判定可靠，调参才会表现出一致性；状态判定错误时，继续放大 P 只会让问题更严重。
12. 赛道参数表和现场快速校准
正式调试前可建立一张赛道参数表，记录 AB/CD 直线长度、BC/DA 半径、启停线宽度、黑线宽度、传感器有效宽度和车辆起始位置。再用低速跑一圈记录编码器里程和 MPU 累计角度，把理论切点与实测事件对齐。相位边界不应直接用一次结果，而要统计多圈分布，选择既不提前进入又不明显滞后的门限，并给灰度/IMU 证据留接管空间。
现场更换地图或轮胎后，先跑 S3 或低速诊断模式，不要直接使用高速 S1。观察前 140～150 cm 的里程是否对应实际 B 点，半圆累计航向是否接近 180°，第二段直线开始时状态是否已经退出弯道。若仅里程整体成比例偏差，可以小范围校准每圈计数；若左右半圆偏差不同，应检查打滑、轮胎和机械，而不是用一个比例强行修正。
灰度安装高度也应纳入参数表。高度变化会改变黑线在探头上的覆盖宽度，使同一位置的 activeCount 不同，从而影响宽线和边缘判断。正式比赛前固定螺丝并标记高度，清洁探头和地图，避免调好的位图因灰尘或支架弯曲改变。一个可靠的循迹系统不仅有软件参数，还有被固定和记录的物理条件。
赛道状态机
| 判据 | 原始条件 | 防误判措施 | 动作 |
|---|---|---|---|
| 启动线 | 中间四路全黑 | 只在 WAIT 接受 | 进入直线 |
| 入弯 | 偏差趋势、角速度、编码器里程 | 连续多帧确认 | 提高弯道差速 |
| 全白 | 8 路均为白 | 记住最后有效方向 | 低速搜线 |
| 终点 | 任意四路全黑 | 起步后最短里程/时间门槛 | 立即清零 PWM |
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