EspCar — 光电视觉巡线智能车

基于 双 ESP32 微控制器的智能小车系统，集成蓝牙遥控、五路 ADC 红外循迹、视觉里程计与任务链自动执行。
采用 MicroPython 运行时环境，模块化分层架构。

系统架构

                    ┌──────────────────────────────────┐
                    │         手机 / 上位机             │
                    │         BLE 4.2 Nordic UART      │
                    └──────────────┬───────────────────┘
                                   │ BLE 广播 (EspCar-049)
                                   ▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    ESP32-V1 (主控制器)                     │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │  应用层  app/     car_app.py (状态机 + 调度器)      │  │
│  │                   mode_*.py (5种工作模式)           │  │
│  ├────────────────────────────────────────────────────┤  │
│  │  算法层  alg/     task_chain.py (任务链表执行器)     │  │
│  ├────────────────────────────────────────────────────┤  │
│  │  底盘层  chassis/ diffChassis.py (差速运动学)      │  │
│  ├────────────────────────────────────────────────────┤  │
│  │  驱动层  peripheral/  BLE / CAM UART / 电机 / 循迹 │  │
│  └────────────────────────────────────────────────────┘  │
└──────────────────────┬───────────────────────────────────┘
                       │ UART 115200bps
                       ▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│              ESP32-S3-CAM (视觉感知单元)                   │
│  MPU6050 (I2C) → 姿态估计 → 航向角                        │
│  OV2640 → [预留]                                          │
│  里程计数据 5Hz 推送                                       │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

双板分工

模组	芯片	功能
主控制器	ESP32-V1 (Xtensa LX6, 240MHz)	BLE 遥控、五路 ADC 循迹、电机控制、任务链执行
视觉模块	ESP32-S3-CAM + OV2640 + MPU6050	航向角解算、加速度里程计、UART 数据推送

工作模式

STANDBY [0] — 待机安全态
REMOTE [1] — 蓝牙摇杆遥控（手机 / PC / 游戏手柄）
TRACKING [2] — PD 闭环循迹（五路 ADC 加权质心 + 三态出线恢复）
TASK CHAIN [3] — 任务链自动执行（链表式多节点编排）
FUSION [4] — 融合里程计（编码器 + CAM 航向角）

START 键循环切换：STANDBY → REMOTE → TRACKING → TASK → FUSION → STANDBY

项目结构

EspCar/
├── .gitignore
├── 创新认知与实践（二）-综合设计报告.docx    # 课程设计报告模板
├── PPT制作指南.md                            # PPT 制作参考
│
├── espv3/                                    # ── 主控制器 (ESP32-V1) ──
│   ├── task_chain_plan.md                    # 任务链系统设计文档
│   ├── docs/
│   │   ├── board/ProDoc_ESP_32_2_2026-05-23.eprj2  # PCB 设计文件
│   │   └── esp32v1/                          # 板级规格书与原理图
│   └── src/                                  # ★ 固件源码
│       ├── main.py                           # 入口 (→ car_app.run())
│       ├── pin_map.py                        # GPIO 引脚绑定 + 安全校验
│       ├── 协议.md                           # BLE 二进制帧协议规范 V1.0
│       ├── app/                              # 应用层
│       │   ├── car_app.py                    # 整车状态机 + 帧分发调度器
│       │   ├── ble_handler.py                # BLE 帧解析 FSM (6 状态)
│       │   ├── mode_standby.py               # 待机模式
│       │   ├── mode_remote.py                # 遥控模式 (摇杆 + 按键)
│       │   ├── mode_tracking.py              # 循迹模式 (PD 控制)
│       │   └── mode_fusion.py                # 融合里程计模式
│       ├── alg/                              # 算法层
│       │   └── task_chain.py                 # TaskNode + TaskChain 链表执行器
│       ├── chassis/                          # 底盘控制层
│       │   └── diffChassis.py                # 开环/闭环差速底盘 (死区补偿 + PID)
│       ├── peripheral/                       # 外设驱动层
│       │   ├── ble_uart.py                   # BLE 4.2 NUS GATT 服务
│       │   ├── cam_uart.py                   # CAM UART 协议 (握手/保活/帧解析)
│       │   ├── fusion.py                     # 融合里程计 (编码器 + CAM yaw)
│       │   ├── motor.py                      # 电机驱动 (Motor / Encoder / HWEncoder)
│       │   └── tracker.py                    # 五路 ADC 循迹 + 三态恢复状态机
│       ├── test/                             # 模块测试脚本
│       │   ├── motor_openloop_test.py
│       │   ├── encoder_raw_test.py
│       │   ├── encoder_odometry_test.py
│       │   └── pcnt_test.py
│       ├── upper_example/                    # PC 端上位机示例
│       │   ├── ble_uart_client.py            # BLE 客户端 (Bleak + 手柄支持)
│       │   ├── pid.json                      # PID 参数模板
│       │   └── task.json                     # 任务链配置模板
│       └── Usr/                              # 技术文档
│           ├── espcar_overview.tex           # 技术白皮书 LaTeX 源码
│           └── espcar_overview.pdf           # 编译版 PDF
│
└── esps3cam/                                 # ── 视觉模块 (ESP32-S3-CAM) ──
    ├── README.md                             # 模块说明
    ├── docs/                                 # 原理图与固件
    │   ├── ESP32-S3EXB原理图.pdf
    │   ├── ESP32-S3-N16R8核心板原理图.pdf
    │   └── ESP32-S3-N16R8-MPY-V1.1.bin       # MicroPython 固件
    ├── host/ble_uart_client.py               # BLE 上位机模板 (占位)
    └── src/                                  # ★ 固件源码
        ├── main.py                           # CAM 主程序
        ├── pin_map.py                        # I2C 引脚定义
        ├── docs/uart_protocol.md             # CAM UART 通信协议规范
        └── thirdparty/                       # 第三方库
            ├── mpu6050/                      # MPU6050 驱动 (MicroPython + C++源)
            └── example/                      # 外设驱动示例 (ADC/DHT/超声波等)

核心算法

差速运动学

vL = v - ω·L/2    左轮速度 (m/s)
vR = v + ω·L/2    右轮速度 (m/s)
L = 0.133m (轮距)  r = 0.024m (车轮半径)

电机死区补偿

电机存在约 38% 启动死区，采用线性插值补偿：

compensated = deadzone + (1 - deadzone) × |speed|

循迹加权质心

五路 ADC 归一化 → 二值化 → 质心偏移：

e = Σ(wi × bi) / Σ(bi)     权重 w = [-2, -1, 0, 1, 2]

PD 控制 + 自适应调速

ω = Kp·e + Kd·ė              Kp=1.6, Kd=0.15
v = base_v - v_scale·|e|     base_v=0.28, v_scale=0.06

编码器里程计

Δd = Δpulse × 2πr / (PPR × 4) = Δpulse × 7.54×10⁻⁵ m
PPR = 500, 4 倍频正交解码

三态出线恢复

ONLINE ──(max(norm)<0.20 连续5次)──→ LOST ──(方向侧内传感器检测到黑线)──→ REENTER ──(中间传感器检测到黑线)──→ ONLINE

通信协议

BLE 协议 (手机/PC ↔ 主控)

服务：Nordic UART Service (6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E)
帧格式：0x55 0xAA [Type] [Len] [Payload...] [Checksum]
6 种帧类型：摇杆(0x01)、LED(0x02)、动作(0x03)、PID(0x04)、Work(0x05)、任务节点(0x06)
设备名：EspCar-049

UART 协议 (主控 ↔ CAM)

帧格式：0xAA [Type] [Len] [Payload...] [CRC=XOR]
8 种帧类型：握手(0x01/02)、里程计(0x05, 29B, 5Hz)、校准(0x08/09/0B)、数据控制(0x0A)、清零(0x0C)
参数：115200bps 8N1

快速开始

硬件准备

ESP32-V1 开发板 + L298N 驱动板 + 2× MG310 电机
ESP32-S3-CAM 模组 + MPU6050 (I2C: SCL=21, SDA=47)
五路红外循迹传感器 (GPIO 27/33/32/35/34)
7.4V 2S LiPo 电池

烧录固件

使用 MicroPico (VS Code 插件) 上传固件：

将 espv3/src/ 目录同步到 ESP32-V1
将 esps3cam/src/ 目录同步到 ESP32-S3-CAM
两块板上电后自动运行

PC 端调试

# 安装依赖
pip install bleak pygame

# 启动 BLE 客户端 (交互模式)
python3 espv3/src/upper_example/ble_uart_client.py

# 启动 BLE 手柄模式
python3 espv3/src/upper_example/ble_uart_client.py --gamepad

模块测试

测试脚本	验证内容
`test/motor_openloop_test.py`	PWM 占空比-转速映射、死区识别
`test/encoder_raw_test.py`	编码器脉冲读取、正反转检测
`test/encoder_odometry_test.py`	里程计累加精度
`test/pcnt_test.py`	PCNT 硬件计数器 vs GPIO 中断对比

关键参数

参数	值	说明
轮距	0.133 m	左右轮中心距
车轮半径	0.024 m	直径 4.8cm
编码器 PPR	500	MG310 电机，4 倍频 → 2000 脉冲/转
最大线速度	0.87 m/s	软件限幅 (70%)
最大角速度	5.0 rad/s
PID (循迹)	Kp=1.6, Ki=0, Kd=0.15
PID (电机闭环)	Kp=0.12, Ki=0.04, Kd=0.003
循迹基础速度	0.28 m/s	弯道自适应降至 0.16 m/s
主循环周期	10 ms
CAM 数据频率	5 Hz	里程计推送
电机死区	~38%	软件线性插值补偿

文档

许可

本项目仅用于教育目的。

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