基于 STM32 与 K230 的麦轮视觉拾取机器人：系统方案与硬件设计 （未完成版）

前言

我认为，学习嵌入式成长最快的方式就是做项目。单独学习 GPIO、定时器、ADC 和串口时，每个知识点都有对应的例程，但真正把它们放进同一个系统里，才会开始考虑引脚怎么分配、电源怎么供、模块之间怎么通信，以及一个动作应该在什么条件下执行。

因此，我决定制作自己的第一个综合项目：基于 STM32 与 K230 的麦轮视觉拾取机器人。希望通过这次项目，把之前学过的单片机外设、PCB 设计、电源设计和舵机控制串起来，再逐步加入无线遥控与视觉识别。

这个项目的应用背景来自物流搬运。物品从一个位置送到另一个位置，中间既有移动，也有寻找、对准和拾取。对重复的小件搬运任务来说，人工操作需要不断调整位置、判断目标、完成抓取；如果只用固定位置的机械臂，工作范围又会受到安装位置限制。

于是，我想把能够灵活移动的麦克纳姆轮底盘与机械臂结合起来：由人遥控小车接近目标，再让视觉系统提供目标位置，由机械臂完成拾取。先围绕一个明确的小场景，把“移动到附近—识别目标—执行抓取”这条流程建立起来。

项目状态：未完成版，更新于 2026 年 9 月 25 日。 目前已完成遥控器和机械臂控制板的原理图、PCB 设计，并进行了单舵机按键控制的基础实测；小车控制板尚未绘制。本文记录当前的系统方案、硬件设计与控制基础。

从应用场景确定设计目标

移动、定位和拾取分别解决什么问题

物流场景给这个项目的启发，主要落在三个方面。

首先是工作位置会变化。物品未必总在同一个位置，移动底盘可以把机械臂带到不同的工作区域。

其次是靠近目标后还需要对准。普通前进、后退和转向会让近距离调整变得反复。麦克纳姆轮底盘能够通过四个车轮的配合实现前后移动、横向平移和旋转，适合用来调整机械臂与目标之间的位置关系。

最后是拾取动作需要知道物体在哪里。仅靠手动逐个调节关节，操作步骤比较多。加入视觉后，可以把目标定位交给相机，把动作执行交给机械臂控制器，让操作者主要负责移动和发起任务。

本项目的操作流程

项目围绕红、绿、蓝色小方块开展，先在桌面完成机械臂与视觉系统的配合，再把机械臂和相机安装到小车上，拾取地面上的目标。

预期的操作流程为：

1. 使用遥控器驾驶小车，接近目标方块。
2. 视觉系统识别目标，判断其是否进入有效拾取区域。
3. 目标满足拾取条件后，通过蜂鸣器提示。
4. 操作者按下自动拾取按键，小车保持停止。
5. 重新确认目标位置，机械臂执行接近、夹取和抬起动作。
6. 动作结束后返回状态，等待下一次操作。

这里的自动化重点是停车后的视觉定位与机械臂拾取。底盘的移动由操作者遥控，便于先把识别、抓取和运动控制之间的关系理清楚。

第一阶段把自动化做到哪一步

确定方案时，一个重要的决定是把第一阶段的目标放在“手动接近、按键触发、停车抓取”。如果同时加入自主接近目标，视觉就要参与底盘行驶控制，系统还要处理车身姿态变化、移动中的目标定位，以及底盘与机械臂何时交接控制权。

因此，我先由操作者完成大范围移动，把自动化集中到一个静止工作区域内。这个取舍保留了视觉拾取的核心问题，同时让每一次动作的起点更容易确定。蜂鸣提示表示系统认为目标具备拾取条件，按键则表示操作者确认开始，二者在流程中承担不同职责。

系统方案与模块分工

整套系统划分为遥控器、小车、机械臂三个 STM32 控制端，另外使用庐山派 K230 承担视觉处理。

模块	主要职责	与其他模块的连接
遥控器	采集摇杆和按键，选择控制对象，发送指令并显示状态	通过 nRF24L01 分别联系小车和机械臂
小车控制端	接收移动指令，控制四轮麦克纳姆底盘	与遥控器进行无线通信
机械臂控制端	接收操作指令和视觉结果，控制五路舵机，管理动作流程	无线连接遥控器，串口连接 K230
庐山派 K230	采集图像，识别颜色目标，输出定位信息	通过串口与机械臂 STM32 交换数据

通信关系可以概括为：

                    ┌─ 无线 ─ 小车 STM32 ─ 四轮底盘
遥控器 STM32 ─ nRF24L01
                    └─ 无线 ─ 机械臂 STM32 ─ 五路舵机
                                    │
                                   串口
                                    │
                                庐山派 K230

三块主控的划分依据

小车和机械臂分别与遥控器通信，协调指令由遥控器发起。底盘控制围绕四轮运动展开，机械臂控制围绕关节和抓取动作展开，遥控器则围绕人的操作展开。按这些任务划分，机械臂可以脱离底盘先做桌面调试，小车也可以单独验证遥控行驶。

这种划分增加了主控数量，也需要维护两条无线通信链路。相应地，每块板的任务、接线和调试入口比较明确，修改机械臂动作时可以集中在机械臂端。对于这个逐步搭建的项目，我更看重各部分能够独立推进。

机械臂和小车之间没有直接通信，因此停车确认、抓取请求和动作状态需要经过遥控器协调。这也决定了后续协议需要传递双向状态：除了“发出指令”，还要知道指令是否被接收、当前是否允许执行下一步。

视觉处理与运动控制分开

图像识别和舵机控制需要的资源不同。相机侧需要采集、处理图像，运动侧则需要持续管理 PWM、关节目标与动作顺序。本版让 K230 处理图像，通过串口发送目标结果；STM32 接收结果并管理执行过程。

这样划分后，板间传递的内容可以集中在目标位置、有效性和任务状态上。联调时也可以先向 STM32 输入一个已知位置，检查机械动作，再接入视觉定位结果，便于判断偏差来自识别、坐标换算还是执行过程。

机械臂端沿用已有的 STM32F103C8T6 最小系统板。它提供定时器、ADC、SPI 和 USART 等外设，能够分别对应舵机 PWM、电池检测、无线通信和视觉串口。STM32F103C8 官方资料列出了这些外设资源，设计扩展板时再根据实际引脚复用关系进行分配。

遥控器原理图设计

遥控器是整套系统的人机交互入口。这一版采用双摇杆、十二个独立按键、OLED 显示和三路指示灯，并将电池供电与无线通信一起集成到手柄形状的 PCB 上。

电池供电与电压检测

遥控器按单节锂电池供电设计，电池经过电源开关，再由 XC6206P332MR-G 稳压至 3.3 V，提供给控制与外围电路。

电池检测使用电阻分压后接入 PA0。上臂电阻为 10 kΩ，下臂电阻为 22 kΩ，采样节点并联 100 nF 电容。

$$V_{\mathrm{ADC}}=V_{\mathrm{BAT}}\times\frac{22}{10+22}$$

按常规单节锂电池满电 4.2 V 代入，采样电压约为 2.89 V。软件可以根据 ADC 采样值换算电池电压，再用于屏幕显示和低电量提示。

双摇杆与独立按键

两个摇杆分别提供 X、Y 两个模拟量以及按压开关。四个模拟量接入 PA1～PA4，两个摇杆按压信号接入 PB0 和 PB1。

摇杆适合表达连续的方向和速度变化；独立按键适合发出模式切换、动作触发等离散指令。本版保留十二个独立按键，其中 U10 用作模式键，用来切换小车与机械臂的操作模式；顶部的 SW1 则负责电源通断。

按键通过上拉电阻保持默认高电平，按下时拉低。每个按键独立接入 GPIO，程序可以直接读取按键状态，再进行消抖和事件处理。

双摇杆的考虑来自麦轮的操作需求：前后移动、横向移动和旋转需要三个连续控制量，两个双轴摇杆提供四个模拟输入，便于安排驾驶操作，也为机械臂模式保留输入空间。

按键部分最终采用十二路独立 GPIO。与矩阵扫描相比，这种接法占用更多引脚，但各键的电平和布线可以直接对应，单键检查、消抖以及组合操作的处理也更直观。这一版优先采用这种便于逐个调试的连接方式，并在分配时一起核对 JTAG、串口等复用功能。

无线、显示与状态提示

nRF24L01 接入 STM32 的 SPI2：PB13、PB14、PB15 分别承担时钟、接收和发送信号，PB12 为片选，PB10 控制 CE，PB11 接 IRQ。无线模块的供电处设置了 100 nF 与 10 μF 电容。

OLED 使用 PB8、PB9 两根信号线，三路 LED 分别用于低电量、小车通信和机械臂通信状态提示。这样在操作时，既可以通过屏幕读取详细信息，也能通过指示灯快速判断连接状态。

遥控器功能	接口或引脚
电池电压检测	PA0
左摇杆 X / Y、按压	PA1 / PA2、PB0
右摇杆 X / Y、按压	PA3 / PA4、PB1
OLED	PB8 / PB9
nRF24L01	SPI2，以及 CE、CSN、IRQ 控制信号
低电量、小车通信、机械臂通信指示	PB5、PA8、PA11

部分独立按键使用了 PA15、PB3、PB4。对应固件需要关闭 JTAG、保留 SWD，释放这几个引脚作为普通 GPIO 使用。

机械臂控制板原理图设计

机械臂控制板将五路舵机、视觉接口、无线模块、OLED、电池检测和本地操作接口集中起来。STM32 最小系统板通过排针接入扩展板，外围接线则统一从板边引出。

逻辑电源与舵机电源分路

这一版以 12 V 电源输入为基础，电源经过开关后分成逻辑和舵机两条支路。

• 逻辑支路： 通过 MP1584EN 降压模块得到 5 V，供最小系统板及 K230 等逻辑侧设备使用；3.3 V 外设由相应的 3.3 V 电源网络供电。
• 舵机支路： 通过接线端子引出电源，连接外置舵机降压模块，再将稳压后的 5 V 接回 +5V_SERVO，分配到五个舵机接口。

两条支路共地，但 +5V 与 +5V_SERVO 分开布置。舵机启动和关节负载变化时，电流也会随之变化；将其供电路径单独安排，可以让大电流走专用配电路径，避免经过最小系统板的供电排针。

这里的关键考虑是五只舵机在真实动作中的供电需求。机械臂伸出、抬升和夹持时，各关节的负载并不相同，同时动作时电源还要承担叠加的电流变化。因此，单只舵机能转动，只能作为单路控制的基础；整臂电源需要结合关节负载与并发动作安排。

本版将逻辑降压留在板上，把舵机降压做成外置模块接口。这样在确定实际供电能力时，可以调整舵机电源模块，同时保留已经安排好的主控和信号接口。代价是增加一组外部模块与接线，收益则是电源选择更加灵活。

分路供电仍然共享信号参考地。布线时需要让舵机电流沿电源入口与舵机接口之间的路径流动，并减少与主控、无线模块共用的回流路径，才能让这项电源划分在 PCB 上发挥作用。

这也是之前制作两级降压电源板之后，在实际项目中进一步考虑的问题：除了输出电压，还要根据负载特性安排电源支路与连接方式。

五路舵机 PWM

机械臂共使用五只舵机，包含夹爪。扩展板为每一路提供 PWM、5 V 舵机电源和 GND 三根连接。

接口	STM32 引脚	定时器通道
H1	PA1	TIM2_CH2
H2	PA6	TIM3_CH1
H3	PA7	TIM3_CH2
H4	PB0	TIM3_CH3
H5	PB1	TIM3_CH4

这样可以使用硬件定时器产生五路 PWM。程序更新各通道的比较值，就能分别设置舵机的目标位置。接口编号用于组织接线，实际关节与通道的对应关系再按装配位置统一管理。

K230 视觉接口与调试串口

视觉端选用庐山派 K230，机械臂板上的 H6 引出 5 V、PA9、PA10 和 GND。PA9、PA10 分别作为 USART1 的发送与接收信号，与 K230 的接收、发送信号交叉连接。

本项目把图像采集与识别安排在 K230 上，STM32 侧接收目标信息并执行动作。两块板之间的串口连接与配置，可结合庐山派官方的UART 开发文档进行实现。

板上另外引出了 PA2、PA3 对应的 USART2 调试口。视觉通信与调试输出各用一组串口，便于联调时同时查看识别数据和机械臂状态。

电池采样与本地操作

机械臂板同样使用 PA0 检测输入电压，分压电阻采用上臂 10 kΩ、下臂 3 kΩ，并在采样节点并联 100 nF 电容。

$$V_{\mathrm{ADC}}=V_{\mathrm{BAT}}\times\frac{3}{10+3}$$

12 V 输入时，采样电压约为 2.77 V；按 12.6 V 计算时，约为 2.91 V。软件读取 ADC 后，可以用对应的分压比例还原输入电压。

此外，板上还设置了 OLED 接口、四个本地按键、指示灯和蜂鸣器接口。本地按键用于单板操作，OLED 用于查看运行信息，蜂鸣器则承担目标进入拾取区域等事件提示。

PCB 布局与接口安排

遥控器：按握持方式安排器件

遥控器采用手柄轮廓，上方布置两个摇杆，左右握持区域及中间位置布置独立按键，电源开关位于顶部。这样的布局围绕双手操作展开，让连续控制和动作按键各有位置。

无线模块接口朝向板外，显示与主控连接区域布置在中部。设计中同时预留了四个安装孔，便于后续安装支撑件或外壳。

机械臂板：按接线方向划分区域

机械臂控制板约为 100 mm × 78 mm。电源输入和开关位于左上方，五路舵机接口沿左侧排列，K230 和 OLED 接口位于左下区域，nRF24L01 接口位于右上方，STM32 最小系统板插座位于右侧。

布局时重点考虑了三件事：

• 舵机电源就近分配。 舵机接线端子与五路接口放在相邻区域，使用较宽的电源走线连接。
• 信号按功能集中。 视觉、显示、无线与调试接口分别安排，降低接线时相互穿插的程度。
• 保留插拔与安装空间。 最小系统板的 USB 一侧朝向板边，安装孔分布在四角。

本版将舵机电源主干按 60 mil、逻辑 5 V 主干按 30 mil、一般信号线按 10 mil 进行布线，并使用顶底层地铜连接地网络。宽线用于降低配电路径的电阻，实际承载能力仍与铜厚、长度、连接器和温升共同相关。

以上图片为本版 PCB 布线与三维预览，便于对照原理图查看各模块在板上的位置。

从单舵机控制建立软件基础

机械臂的动作最终要落实到各路舵机控制，因此我先使用 STM32F103C8T6 做了单舵机按键控制实验。通过按键改变舵机指令，已经完成基础转动测试。

现有测试工程将 PWM、舵机角度换算、按键和 OLED 显示分别封装。主程序读取按键事件，更新目标角度，再调用舵机接口输出，并在 OLED 上显示当前指令值。

定时器怎样产生舵机信号

测试程序使用 PA1 对应的 TIM2_CH2，定时器时钟按 72 MHz 配置，预分频器设置为 71，自动重装值设置为 19999：

$$f_{\mathrm{PWM}}=\frac{72\,000\,000}{(71+1)(19999+1)}=50\ \mathrm{Hz}$$

这样每次计数对应 1 μs，一个 PWM 周期为 20 ms。改变比较寄存器的值，就能改变每个周期内的高电平时间。

测试工程采用 500～2500 μs 对应 0～180° 的换算设置，角度到脉宽的关系为：

$$t_{\mathrm{pulse}}=500+\frac{\theta}{180}\times 2000\quad(\mu\mathrm{s})$$

这组数值是当前测试工程的设置。整臂使用多种舵机，软件中会分别管理各关节的脉宽范围、转动方向和机械限位。

从一个通道扩展到动作流程

单舵机程序解决的是“给定角度，输出对应 PWM”。五路机械臂还需要在这个基础上组织多个关节的动作顺序。

因此，后续程序按三层展开：底层产生各路 PWM，中间层管理关节目标与限位，上层管理观察、接近、夹取和抬起等动作。这样调整某个关节的参数时，不必同时改写整套抓取流程。

OLED 上显示的是发送给舵机的目标角度。当前普通 PWM 接口提供位置指令，关节实际运动情况则结合机械结构和调试观察来确认。

视觉定位与自动拾取方案

相机装在车体上，还是跟着夹爪运动

相机安装位置是这个项目中影响较大的一个选择。考虑过的两种方向，一种是固定在车体或机械臂底座附近，另一种是安装在夹爪后方，随腕部一起运动。

安装方向	有利之处	需要处理的问题
相对车体固定	相机与机械臂底座之间的安装关系保持固定，便于组织坐标换算	需要安排可用视野，处理机械臂遮挡和支架避碰
随腕部运动	可以随夹爪接近目标，便于观察局部区域	相机相对底座的位置随关节变化，还会增加腕部负载与活动线缆

对当前方案而言，优先考虑车体固定、斜向下观察。普通 PWM 舵机接口没有向 STM32 返回实际关节角度，如果让相机跟随腕部运动，再根据指令角度推算它的位置，关节间隙和负载引起的偏差也会进入定位过程。固定相机可以减少这部分随动作变化的关系。

从几何上看，腕部相机需要结合相机与夹爪的安装关系，以及当前机械臂姿态，才能把观测转换到底座坐标；固定相机则可以建立相机到底座的固定转换关系。OpenCV 的手眼标定说明介绍了这两类安装关系。本文据此优先采用较适合当前控制基础的固定相机方案。

支架从一开始就考虑装车

桌面调试时，高架俯拍很容易获得较完整的画面，但最终机械臂和相机都要安装到小车上，支架高度、底盘空间以及运动时的晃动都要一起考虑。因此，目前优先评估紧凑的固定支架，让相机斜向下观察车前区域。

相机只需覆盖计划使用的拾取区，安装位置则要避开机械臂伸展和回转时扫过的空间。这里的“固定”是相对车体和机械臂底座固定；车体姿态、相机安装关系或工作面高度变化时，仍要重新核对标定关系。

先建立一个明确的拾取区域

本项目先面向静止的彩色方块。相机方案优先考虑相对底盘和机械臂底座固定，斜向下观察车前区域；小车把目标送入视野与机械臂都能覆盖的范围，再停车拾取。

有效拾取区域需要同时满足：目标能被相机看清、机械臂能够到达、运动路径有足够空间。这样“发现目标”与“可以开始抓取”就有了明确的判断条件。

从图像位置到机械臂目标位置

视觉部分按以下流程组织：

1. K230 获取图像，识别目标颜色和位置。
2. 根据标定关系，将图像中的位置换算到机械臂使用的坐标系。
3. 判断目标是否处于设定的有效拾取区域。
4. 将目标信息发送给机械臂 STM32。
5. 操作者触发任务后，更新目标位置，再执行抓取动作。

相机得到的是图像坐标，机械臂需要的是相对自身底座的位置。两者之间通过标定建立联系；由于相机采用斜视方案，标定时还需要考虑透视关系与目标所在平面。

这里还有一个容易被忽略的考虑：识别参考点所在的高度要与标定一致。 如果检测的是方块顶面中心，它与地面之间有一个方块高度。斜视条件下，将顶面上的点直接套用地面映射，会引入位置偏差。因此，标定方案要先说明定位的是哪个面、哪个点，再把它转换成夹爪需要到达的位置。

用状态组织一次拾取

一次自动拾取可以按“等待指令 → 确认目标 → 接近 → 夹取 → 抬起 → 结束”划分状态。每个状态负责一段动作，并规定进入下一状态的条件。

遥控器在发起抓取时协调底盘停止与机械臂动作，抓取期间保持停车；机械臂端返回执行状态，遥控器据此显示任务进度。这个分工让移动操作和拾取操作能够衔接起来。

动作配合的重点是明确“什么时候允许开始”。软件设计中将停车确认放在伸臂之前，并在停车后使用新的视觉观测复核目标位置，避免直接沿用行驶过程中取得的位置。

无线指令也需要区分持续控制和单次任务：摇杆可以持续更新速度请求，拾取按键则对应一次任务。为此，计划给动作请求分配序号，重复收到同一个请求时返回状态，避免因长按或无线重发重复启动抓取。通信恢复后也要等待新的操作请求，保持任务起点明确。

当前进度与小车控制板规划

截至本次记录，项目已形成以下基础：

项目部分	当前进度
系统总体方案	确定三个 STM32 控制端、无线通信关系与 K230 视觉分工
遥控器	原理图与 PCB 设计完成，包含双摇杆、十二个独立按键、显示及无线接口
机械臂控制板	原理图与 PCB 设计完成，包含五路舵机、分路供电与 K230 接口
舵机控制基础	已进行单舵机按键控制实测，建立 PWM、按键与显示测试工程
视觉自动拾取	已确定流程与接口方案，后续进行识别、标定和动作联调
小车控制板	尚未绘制，按四轮麦克纳姆底盘规划

小车板将承担四路电机驱动、无线接收和底盘运动控制，并结合超声波测距、灯光等功能安排接口。绘制时需要同时考虑电机供电路径、驱动电流和 STM32 外设资源，使它能够与遥控器、机械臂端配合。

项目推进顺序是先把桌面上的机械臂与视觉流程建立起来，再完成小车板和底盘控制，最后进行装车与整机联调。相机与机械臂的安装关系从桌面阶段就一并考虑，方便后续迁移到移动底盘。

为什么先做桌面验证

抓取位置出现偏差时，原因可能在图像定位、坐标换算、关节参数，也可能来自底盘移动。如果把所有部分一次装到车上，这些影响会叠在一起。桌面阶段固定底座，可以先围绕视觉与机械臂检查问题，把底盘运动的影响放到后续阶段处理。

桌面验证按“单关节动作 → 给定位置的机械动作 → 视觉提供位置 → 整车配合”的顺序推进。前一步建立可用基础后，再接入下一部分，更容易解释每次测试的结果。

同时，相机与机械臂尽量安装在同一套可迁移的底板上，提前考虑车上安装面与地面之间的高度关系。这样桌面阶段得到的机械结构和接线安排可以继续使用，装车时再围绕实际视野、工作面和底盘姿态核对标定。

总结

从之前的降压电源板，到这次遥控器和机械臂控制板，设计中需要同时考虑的事情明显增加了：引脚既要满足连接数量，也要对应合适的外设；供电既要提供正确电压，也要照顾执行器的电流变化；各个模块还要围绕同一次操作配合起来。

这个项目让我开始把“会用某个外设”进一步落实到“用这些外设完成一件事”。目前完成的两块 PCB，将摇杆、无线、视觉接口和五路舵机控制放进了明确的系统分工中。接下来继续沿着这套结构，把小车控制板和视觉拾取流程逐步实现，让设计真正落实到机器人动作上。

参考资料

• STM32F103C8 官方产品资料：主控外设资源与配套文档。
• 庐山派 K230 串口通信文档：串口配置、收发与接线说明。
• LM2596＋AMS1117 两级降压电源设计：此前的电源设计与实测记录。