前言

项目简介

本实践指南将带领您从零开始构建一个基于ESP32的智能网球捡拾小车系统。通过本项目的完整学习路径，您将掌握嵌入式开发、物联网通信、计算机视觉和智能控制等多项前沿技术。（编写中）

学习路径

基础准备

环境配置：硬件平台介绍与开发环境搭建
预备知识：嵌入式开发基础与ESP32编程入门

核心技能培养

基础控制
- ESP32 GPIO控制与电机驱动
- 实现小车基本运动控制
物联网应用
- WiFi通信与网络服务搭建
- 网页远程控制实现
机械控制
- PWM技术与舵机控制
- 机械抓手精准控制
计算机视觉
- YOLO模型训练与部署
- 目标检测与位置识别

进阶项目实践

边缘智能系统：实现自动网球检测与抓取全流程
Rust开发实践：使用Rust进行嵌入式开发
Unikernel探索：移植ArceOS驱动系统
AI增强：视觉大模型与语音交互应用

技术亮点

从硬件驱动到智能算法的完整开发链条
物联网与边缘计算的深度融合
传统嵌入式开发与现代AI技术的结合
多种编程范式与实践(Rust/Unikernel)

适合读者

嵌入式开发爱好者
物联网应用开发者
计算机视觉实践者
希望提升完整项目开发能力的学习者

通过本项目的阶梯式实践，您将获得从硬件控制到智能识别算法的全栈开发能力，掌握现代嵌入式智能系统的开发方法。

序章：环境配置与预备知识

* 硬件平台介绍
- 0.1.1 开发板选型指南
  (a)核心硬件架构
  (b)外设与接口资源
- 0.1.2 电机驱动模块选型
* 开发环境准备
- 0.2.1 运行环境
- 0.2.2 相关库的下载与简要介绍
  (a)ESPAsyncWebServer
  (b)LedController
  (c)ESP32Servo
前置知识引导
- 0.3.1 与Arduino开发相关的语法介绍
  (a)基础语法架构
  (b)相关库中核心函数的介绍
- 0.3.2 PWM基本原理

预期学习成果

硬件层面：
了解ESP32相关知识，完成项目所需硬件选购（开发板，小车，抓手，电池）
开发环境层面：
掌握VSCode下PlatformIO插件的基础使用方法

0.1 硬件平台介绍

ESP32开发板硬件平台详解

ESP32作为一款功能强大的物联网微控制器，凭借其双核处理器、Wi-Fi/蓝牙双模通信和丰富的外设接口，成为智能小车开发的理想选择。本章将全面解析ESP32小车的硬件平台构成，包括开发板选型、电机驱动模块选择和电源系统设计，为后续开发奠定坚实基础。

0.1.1 开发板选型指南

一、核心硬件架构
- 1.处理器系统：
  双核Xtensa® 32位LX6微处理器架构
  支持80MHz至240MHz动态时钟频率调节
  448KB ROM用于系统启动和基础功能
  520KB SRAM用于程序运行
  16KB RTC SRAM用于低功耗模式数据保持
- 2.无线通信能力:
  （1）Wi-Fi：
  支持802.11 b/g/n协议，2.4GHz频段，最高150Mbps速率
  支持A-MPDU和A-MSDU聚合
  0.4μs保护间隔优化
  （2）蓝牙：
  双模支持
  经典蓝牙4.2(BR/EDR)
  低功耗蓝牙(BLE)
- 3.存储配置：
  默认集成4MB SPI Flash(可选8MB/16MB版本)
  部分型号额外集成2MB PSRAM(ESP32-D0WDR2-V3芯片)
二、外设与接口资源
- 1.GPIO系统：
  （1）共38个物理引脚
  （2）26个全功能GPIO
  （3）支持多种功能复用(详见后续章节)
- 2.通信接口：
  4×SPI(支持主/从模式)
  2×I²C(支持主/从模式)
  3×UART(含1×USB-OTG)
  I²S音频接口
  CAN 2.0控制器
  以太网MAC接口

0.1.2 电机驱动模块选型

要点：
- 电压匹配：确保驱动模块支持电池电压
- 电流余量：电机堵转电流应小于驱动峰值电流的80%
- 控制方式：PWM

0.2 开发环境准备

0.2.1 运行环境

基础运行环境可以参考如下网址使用VSCode+PlatformIO插件搭建开发环境

1.2.2 相关库的下载与介绍

一、ESPAsyncWebServer
- ESPAsyncWebServer是PlatformIO环境下ESP32开发中极为重要的异步Web服务器库，它为物联网设备提供了高性能的网络通信能力。
- 1.异步网络架构:
  非阻塞式处理：采用事件驱动模型，服务器在处理请求时不会阻塞其他连接，能够同时处理多个客户端请求，显著提高吞吐量;
  高效资源利用：在等待I/O操作(如文件读取、传感器数据采集)时，可以继续处理其他任务，减少CPU闲置时间;
  实时响应机制：基于回调函数的事件处理方式，确保对客户端请求的快速响应，特别适合实时数据推送场景.
- 2.协议支持能力:
  支持GET、POST、PUT、DELETE、PATCH、HEAD和OPTIONS等HTTP方法
二、LedController
- LEDController库是ESP32平台上用于控制LED和生成PWM信号的重要工具库，本项目中主要使用的是LEDController库中与PWM相关的核心函数（详见后续语法介绍）。
三、ESP32Servo
- ESP32Servo库是专为ESP32系列微控制器设计的舵机控制库，它提供了简单易用的接口来控制标准舵机。具体包括基础控制功能，对多个舵机独立管理控制；运动控制功能，控制舵机角度、平滑运动等；状态查询功能，获取当前位置以及PWM通道查询等。

0.3 前置知识引导

与Arduino开发相关的语法介绍

一、基础语法架构
void setup() { // 初始化代码，只执行一次}
void loop() { // 主循环代码，重复执行}
Serial.begin(115200); // 初始化串口，波特率115200
Serial.print() // 发送数据到串口
二、相关库中核心函数的介绍
- LedController
  (1)ledcSetup() - PWM通道初始化
  double ledcSetup(uint8_t chan, double freq, uint8_t bit_num)
  i.功能：配置指定LEDC通道的PWM信号参数
  ii.参数：
  chan：通道号(0-15，取决于ESP32型号)
  freq：PWM频率(Hz)
  bit_num：占空比分辨率(1-16位)
  返回值：实际设置的频率值
  iii.说明：必须先调用此函数初始化通道才能使用其他PWM功能
  (2)ledcAttachPin() - 引脚绑定
  void ledcAttachPin(uint8_t pin, uint8_t chan)
  i.功能：将GPIO引脚绑定到指定的PWM通道
  ii.参数：
  pin：GPIO引脚号
  chan：已初始化的PWM通道号
  iii.说明：一个通道可绑定多个引脚，实现同步控制
  (3)ledcWrite() - 占空比设置
  void ledcWrite(uint8_t chan, uint32_t duty)
  i.功能：设置指定通道的PWM占空比
  ii.参数：
  chan：PWM通道号
  duty：占空比值(范围由分辨率决定)
  iii.说明：这是最核心的PWM输出函数，用于实时调整输出强度

PWM原理与占空比计算

PWM基本原理
- 1.核心概念
  脉冲信号：由高电平和低电平交替组成的方波信号
  周期(T)：一个完整PWM波形的时间长度（单位：秒）
  频率(f)：单位时间内周期数，f=1/T（单位：Hz）
  脉宽(高电平时间)：一个周期内信号保持高电平的时间
  占空比(D)：高电平时间与周期的比值，D = (高电平时间/T) × 100%
- 2.工作原理
  PWM基于面积等效原理：冲量（脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
  通过改变占空比来调节平均输出电压：
  占空比越大 → 平均电压越高
  占空比越小 → 平均电压越低

第一章：ESP32小车基本控制

硬件介绍
- 1.1.1 ESP32核心引脚
- 1.1.2 ESP32开发板的基本功能
ESP32使用I/O接口
- 1.2.1 数字I/O的不同工作模式介绍
ESP32驱动轮子
- 1.3.1 硬件连接
  (a)引脚连接参考
- 1.3.1 相关函数的编写
  (a)电机控制函数
- 1.3.2 串口连接与烧录
  (a)调试方法
  (b)常见问题解决
项目实践：ESP32驱动小车转向

预期学习成果

能够依照实例编写出相关控制小车运动的函数
小车能够实现前进、后退、转向、刹车、休眠等多种运动效果

硬件介绍

ESP32核心引脚

一、电源管理引脚
- 1.VCC：3.3V电源输入端子，为整个芯片提供工作电压
- 2.GND：接地端子，与电源负极相连
- 3.EN：使能控制管脚，高电平激活芯片工作状态，低电平触发重启
二、通信接口引脚
- 1.UART接口
  TXD/RXD：串行数据发送/接收管脚
  RTS/CTS：硬件流控信号线，用于控制传输速率
- 2.I2C接口
  SDA/SCL：两线式同步串行总线的数据线和时钟线
三、特殊功能引脚
- 1.ADC/DAC引脚
  (1)ADC输入：18个12位ADC通道(实际可用6-8个)
  ADC1：GPIO1-8(部分不可用)
  ADC2：GPIO9-17(使用Wi-Fi时不可用)
  (2)DAC输出：GPIO25(DAC1)、GPIO26(DAC2)，8位分辨率
- 2.PWM输出
  支持16个PWM通道，几乎所有输出引脚都可配置为PWM

ESP32开发板的基本功能

一、核心处理能力
- 双核处理器：
  (1)搭载Xtensa® LX6双核32位MCU，主频高达240MHz，支持并行任务处理（如一个核心处理无线协议栈，另一个运行用户程序）。
  (2)支持硬件浮点运算单元（FPU），适合复杂算法（如语音识别、机器学习）
二、无线通信功能
- WiFi连接:
  支持802.11 b/g/n协议（2.4GHz），传输速率达150Mbps，提供STA（客户端）、AP（热点）或混合模式
三、外设接口
- GPIO与PWM:
  最多34个可编程GPIO（部分型号如ESP32-P4达55个），支持输入/输出、中断和PWM控制（如LED调光、舵机驱动）

ESP32使用I/O接口

数字I/O的不同工作模式介绍

一、基本输入输出模式
- 1.数字输入模式(INPUT)
  用于读取外部数字信号状态(高/低电平)
- 2.数字输出模式(OUTPUT)
  控制引脚输出高/低电平
二、带内部电阻的输入模式
- 1.上拉输入模式(INPUT_PULLUP)
  (1)功能：
  启用内部上拉电阻(约45kΩ)的输入模式
  (2)特点：
  引脚悬空时默认读取为高电平
  适合连接接地式开关/按键
  可节省外部上拉电阻
- 2.下拉输入模式(INPUT_PULLDOWN)
  (1)功能：
  启用内部下拉电阻(约45kΩ)的输入模式
  (2)特点：
  引脚悬空时默认读取为低电平
  适合连接接电源式开关/按键
  可节省外部下拉电阻

ESP32驱动轮子

硬件的连接

引脚连接参考
- 电机1 PWM: GPIO27
  电机1 DIR: GPIO13
  电机2 PWM: GPIO4
  电机2 DIR: GPIO2
  电机3 PWM: GPIO17
  电机3 DIR: GPIO12
  电机4 PWM: GPIO15
  电机4 DIR: GPIO14

串口调试与烧录

一、调试方法
- PlatformIO提供了方便的串口监视器：
  点击底部状态栏"插头"图标
  或命令面板输入"PlatformIO: Serial Monitor"
  快捷键Ctrl+T Ctrl+X退出监视器
- 可以在代码中添加Serial.println()函数增加调试信息
二、常见问题解决
- 1.上传失败:
  检查USB连接
- 2.库冲突:
  去除非必要的库，避免引起冲突
- 3.电机响应异常：
  检查电源是否充足
  检查PWM频率和分辨率

项目实践：ESP32驱动小车转向

提示

差速转向
刹车与休眠的区别

第二章：ESP32小车远程控制

ESP32使能WiFi
- 2.1.1 ESP32的WiFi板块函数的介绍
- 2.1.2 WiFi板块基本代码架构
ESP32搭建网络服务
- 2.2.1 网页搭建简单介绍
- 2.2.2 网页搭建基本代码架构
网页遥控小车前进
- 2.3.1 控制运动板块与WiFi、网页搭建等板块的结合
项目实践：网页控制小车

预期学习成果

ESP32能够连接WiFi并返回一些内容
能够搭建出包含控制小车运动按钮的简单网页
网页可以遥控小车实现多种运动效果，包括前进、后退、左转向、右转向、刹车等。

ESP32使能WiFi

ESP32的WiFi板块函数的介绍

基础WiFi连接函数
- 1.WiFi初始化与连接
  (1)WiFi.begin() - 用于连接到指定的WiFi网络
  WiFi.begin(ssid, password); // 连接到指定SSID和密码的WiFi网络
  (2)WiFi.status() - 返回当前WiFi连接状态
  wl_status_t status = WiFi.status();
  常见返回值：
  WL_CONNECTED: 已连接(值为3)
  WL_NO_SSID_AVAIL: 未找到指定网络(值为1)
  WL_CONNECT_FAILED: 连接失败(值为4)
  WL_IDLE_STATUS: WiFi处于空闲状态(值为0)
  WL_DISCONNECTED: 未连接(值为6)
- 2.网络信息获取
  WiFi.localIP() - 获取ESP32在局域网中的IP地址
  IPAddress ip = WiFi.localIP();
  Serial.println(ip); // 打印IP地址如"192.168.1.100"

WiFi板块基本代码架构

一、初始化
- 配置模块的工作模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
二、准备步骤
- 指定需要连接的WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);

三、连接WiFi+打印ip地址

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
  delay(500);
  Serial.print(".");
}
Serial.println("\nIP地址: " + WiFi.localIP().toString());

ESP32搭建网络服务

网页搭建简单介绍

ESP32可以搭建简单的Web服务器，通过浏览器访问ESP32的IP地址即可获取响应

网页搭建基本代码架构

HTML页面嵌入方式
直接字符串嵌入：适合简单页面
const char index_html[]PROGMEM=R"rawliteral(<html><body><h1>ESP32 Control Panel</h1><button onclick="fetch('/led?state=1')">Turn ON</button></body></html>)rawliteral";

网页遥控小车前进

控制运动板块与WiFi、网页搭建等板块的结合

使用AsyncWebServer中on函数接收网页相关指令

这里使用的是GET请求

server.on("/led", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
String state = request->getParam("state")->value();
digitalWrite(LED_PIN, state.toInt());
request->send(200);});

通过以下方法对应控制运动相关函数：
request->getParam("state")->value()

项目实践：网页控制小车

提示

完善网页中的按钮，使每个运动状态都有所对应
根据网页遥控小车前进照猫画虎

第三章：ESP32机械抓手基本控制

预期学习成果

能够控制多个舵机转动
抓手能呈现抓、放等预计姿态
网页端可以遥控抓手进行抓球

ESP32使用PWM

使用PWM控制舵机的语法基本框架

一、初始化与绑定通道
- 主要使用函数
  ledcSetup(PWM_CHANNEL, PWM_FREQ, PWM_RESOLUTION);
  ledcAttachPin(SERVO_PIN, PWM_CHANNEL);
二、编写控制舵机角度函数
- 利用角度、脉宽、分辨率之间的关系编写
- 使用ledcWrite(PWM_CHANNEL, duty);
  进行输出
三、对多个电机进行控制，实现对抓手运动状态控制
- 利用switch结构改写上述角度函数
- 根据舵机实际情况，编写能实现抓手初始状态、抓物状态、缩回状态、释放状态等的各种函数

ESP32驱动舵机

舵机信号脉宽映射与角度控制

一、舵机控制原理以下是所使用舵机的PWM脉宽范围
二、角度、分辨率、脉宽的转换公式

1.分辨率与脉宽的转换公式：
duty = (pulseWidth / 20000) × (2^duty_max - 1)
例如，分辨率为16位，0.5ms脉冲宽度对应的duty值即为(500/20000)×65535=1638
2.角度和脉宽的转换公式：
angle = (pulseWidth_us - 500) × (180 / (2500 - 500))
由上述两个公式即可推导出角度和分辨率之间的关系

ESP32小车开发指导书