大学生机器人比赛实战（一）综述篇

大学生机器人比赛实战

参加机器人比赛是大学生提升工程实践能力的绝佳机会。本指南将全面介绍如何从零开始准备华北五省机器人大赛、ROBOCAN、RoboMaster等主流机器人赛事，涵盖硬件设计、软件开发、算法实现和团队协作等关键知识。

一、比赛选择与准备策略

1.1 主流机器人比赛特点分析

比赛名称	技术特点	适合专业	难度等级	典型赛题
RoboMaster机甲大师	全自主对抗/射击	机械/电子/自动化	★★★★★	步兵机器人对抗
ROBOCON	任务完成型	机械/电子	★★★★	投掷球/爬坡任务
华北五省	综合竞技型	多专业协作	★★★	搬运/避障任务
全国大学生电子设计竞赛	电子系统设计	电子/通信	★★★★	智能小车/测量装置

1.2 组队策略与分工建议

理想团队构成（5-7人）：

• 机械组（1-2人）：负责结构设计、加工装配
• 电控组（2-3人）：负责电路设计、嵌入式开发
• 算法组（1-2人）：负责视觉处理、运动控制
• 项目管理（1人）：进度控制、文档撰写

新手建议：

1. 先参加校内选拔赛积累经验
2. 从简单赛题入手（如循迹小车）
3. 找有经验的学长指导

二、硬件开发实战指南

2.1 核心硬件模块选型

控制核心选择：

• 入门级：STM32F103C8T6（性价比高，资料丰富）
• 进阶选择：STM32F407/F429（带FPU，适合复杂算法）
• 高性能需求：树莓派/RK3399（视觉处理）

传感器配置方案：

典型电路设计要点：

1. 电机驱动电路：TB6612/MOSFET驱动
2. 电源管理：12V→5V→3.3V多级稳压
3. 信号隔离：光电耦合器应用
4. PCB设计：四层板优先，注意大电流走线

2.2 机械结构设计规范

设计流程：

1. 需求分析 → 2. 概念设计 → 3. 详细建模 → 4. 仿真验证 → 5. 加工装配

常用加工方式：

• 3D打印：适合复杂结构（PLA/ABS材料）
• 激光切割：亚克力板结构件
• CNC加工：高精度金属件
• 标准件：轴承、同步带等采购

设计禁忌：

1. 避免悬臂结构
2. 留出维修空间
3. 考虑重心分布
4. 模块化设计

三、软件开发全攻略

3.1 嵌入式开发环境搭建

STM32开发流程：

1. 安装Keil MDK/STM32CubeIDE
2. 配置HAL库/LL库
3. 外设初始化（以PWM为例）：

void PWM_Init(void)
{
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 71; // 1MHz
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 999; // 1kHz
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
    
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500; // 50%占空比
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

3.2 核心算法实现

PID控制实例：

# Python伪代码（实际比赛用C实现）
class PID:
    def __init__(self, Kp, Ki, Kd):
        self.Kp = Kp
        self.Ki = Ki 
        self.Kd = Kd
        self.last_error = 0
        self.integral = 0
    
    def update(self, error, dt):
        self.integral += error * dt
        derivative = (error - self.last_error) / dt
        output = self.Kp*error + self.Ki*self.integral + self.Kd*derivative
        self.last_error = error
        return output

# 电机速度控制示例
motor_pid = PID(0.5, 0.01, 0.05)
while True:
    speed_error = target_speed - current_speed
    pwm = motor_pid.update(speed_error, 0.01)
    set_motor_pwm(pwm)

机器视觉处理流程：

1. 图像采集 → 2. 预处理（滤波/二值化）→ 3. 特征提取 → 4. 目标识别 → 5. 位置解算

四、比赛实战技巧

4.1 开发周期管理

三个月备赛计划：

第1周：赛题分析、方案设计
第2-3周：机械结构设计
第4-5周：电路设计与制作
第6-7周：基础功能实现
第8-9周：算法优化
第10周：系统联调
第11周：场地测试
第12周：最终调试

4.2 现场调试技巧

必备工具清单：

1. 万用表/示波器
2. 备用电池/充电器
3. 各种规格螺丝刀
4. 热熔胶枪
5. 笔记本电脑+调试线

调试方法：

1. 模块化测试（先单元后集成）
2. 添加调试指示灯
3. 实时数据记录（SD卡存储）
4. 无线调试接口

五、进阶提升方向

5.1 技术深化学习路线

1. 运动控制：现代控制理论（MPC、自适应控制）
2. 机器视觉：OpenCV、深度学习（YOLO）
3. 通信协议：CAN总线、EtherCAT
4. 机械设计：有限元分析、动力学仿真

5.2 优秀作品参考

RoboMaster冠军方案特点：

1. 云台双闭环控制
2. 弹道预测算法
3. 装甲模块化设计
4. 超级电容能量管理

电赛国奖作品亮点：

1. 自适应滤波算法
2. 高精度运动控制
3. 创新传感器应用
4. 低功耗设计

六、常见问题解决方案

6.1 典型故障排查

故障现象	可能原因	解决方法
电机抖动	PID参数不当	调小Kp增大Kd
摄像头延迟	处理算法复杂	优化图像分辨率
无线断连	电源干扰	增加稳压电容
结构断裂	应力集中	增加加强筋

6.2 成本控制技巧

1. 标准件选用国产品牌
2. 3D打印替代金属加工
3. 开发板选择兼容型号
4. 批量采购常用元器件

通过本指南的系统学习，配合实际项目锻炼，大学生可以在1-2个学期内完成从入门到精通的转变。记住机器人比赛的核心是：明确需求→模块化设计→迭代优化。保持技术热情，勇于尝试创新方案，你也能打造出冠军级机器人作品！