电赛每日一题 · 第 10 期 ｜ 今日拆解：2023 年 I 题 气垫悬浮车（高职高专组）
📌 一、赛题速览与难点剖析
题目工程背景
电赛 I 题「气垫悬浮车」放在高职高专组并不是"放水"——它对多物理场耦合控制的考核深度不亚于本科生组。
它的工程原型在现实中广泛存在：气垫船（Hovercraft）——1960 年代英国 SES-100 横渡英吉利海峡惊艳全球，后来发展为军用 LCAC 气垫登陆艇（美国海军现役，载重 60 吨，航速 40 节）、民用 SR.N4 渡轮（载客 254 人，4 台燃气轮机驱动）。气垫船的本质是用高压气流在船体与水面/地面之间形成一层空气膜（气垫），把"硬摩擦"变成"软摩擦"——从而获得水陆两栖、低阻力、高速三大优势。
回到 I 题：气垫车 = 微缩版气垫船。题目用"高速轴流风机"作气源，限定尺寸 35×25×20 cm，限定 180s 寻迹一周——这要求风扇推力恰好大于车重（悬浮），且4 个转向风扇的差速控制要能在 2mm 悬浮高度下精准调向。这个"软接触"控制是它最大的工程挑战——比平衡车/小车的"硬接触 PID"难一个数量级，因为悬浮状态下任何方向扰动都会直接传递到位置误差，没有轮胎的"机械阻尼"兜底。
题目核心任务（大白话版）
一句话讲清：做一辆"无轮电赛车"——只能靠吹出来的气垫飘起来，再靠 4 个转向风扇吹出来的反作用力推进。在图 1 那条 180cm 直线 + 5 段圆弧的封闭赛道上，逆时针跑一圈（< 180s）、A-B 之间往返跑（< 120s），躲过 2 个矿泉水瓶障碍物（只能左/右绕），停回启停点 10cm 范围内，还要实时语音播报运行信息。
一句话翻译：把"平衡车 + 路径规划 + 避障 + 语音播报"四件套，塞进一辆用气垫飘起来、靠风扇推进的小车里——还要求 180 秒内全部跑完。
官方原理图（图 1 · 赛道平面图）：
图 1 看懂 4 个关键点：
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为什么这个赛道设计"坏"：上 3 段 42.5 cm 圆弧接续（O₁→O₂→O₃）形成类正弦波动——寻迹传感器必须在 1.8 cm 宽的黑色线上持续跟踪曲率变化；下 2 段 15 cm 急转是最容易跑飞的位置（小车有惯性 + 软接触摩擦极小 → 离心力会把车甩出轨道）。
基础与发挥要求核心指标
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120 |
判分关键解读：
▸ 基本 (3) 25 分是单项最高分——A-B 往返既考寻迹稳定性（4 次转向）又考 A/B 标识线识别能力，是最容易拉开差距的项目。训练时至少要在这个项目上做 3 轮完整调试。
▸ 发挥 (1)+(2) 共 40 分——避障 + 路径回归 + 定位泊车是"系统级集成"考核，单独搞定每一项都不难，但要全部联动起来需要反复打磨。评分细则规定："触碰或推动障碍物、未在 40cm 区间内返回寻迹线"都要扣分——意味着绕障策略不能"碰一下绕过去"，必须严格控制绕行半径。
▸ 发挥 (3) 6 分是"白送分"——SU-03T 离线语音模块零代码开发，串口发送指令就能播报，强烈建议第一天就把语音模块调通。
▸ 设计报告 20 分——结构 / 方案 / 理论 / 电路 / 测试 5 个维度各占不同分值，测试结果（5 分）是最好拿的：用相机录下完整运行视频 + 标注关键时间点 + 记录每个任务的实测耗时，几乎人人都能拿满。
最大卡脖子难点
1. 悬浮高度的稳定性（5 分）：题目只要求悬浮 > 2mm，但发挥 (1) 要求悬停 ≥ 10s 后再启动寻迹。2mm 是一个"微薄气垫"边界——任何地面不平、气流扰动都会让车落地。真正难的不是"浮起来"，而是"稳在 2~5mm 之间"。
2. 转向控制与悬浮的耦合（10+ 分）：4 个转向风扇在车体四角，任何一边的风扇加速都会产生一个反扭力矩——这个力矩会让车体一边抬起一边落下，导致原本稳定的悬浮被打破，寻迹传感器瞬间偏离。教练在训练队时见过 80% 的队伍倒在这一关。
3. 弯道离心力 vs 软接触（20+ 分）：15 cm 急转圆弧是"死亡区"——车体在弯道上有 0.5g 的离心加速度，但气垫摩擦系数极小（≈ 0.005），机械制动和转向响应都很迟钝。队伍最常见的失败是"弯道直接冲出去"或"在弯道内反复打滑"。
4. 障碍物识别与 40cm 回归（20+ 分）：发挥 (1) 规定"避障后 40cm 内返回寻迹线"——这意味着绕障不能走太大弧。矿泉水瓶直径 6cm，绕障时小车与瓶子最小间距 ≤ 15cm——这要求避障传感器（红外/超声）响应延迟 < 50ms，否则会"撞瓶"或"绕过头"。
5. A/B 标识线识别（25 分）：标识线 A、B 都是 20cm 长的横线，与赛道上的寻迹黑线垂直相交。普通 5 路红外循迹无法识别"线条的横竖"——需要用特殊布局（例如 2 路侧向红外 + 主循迹 + 计里程 + 编码器辅助判断）。
🛠️ 二、官方推荐/主流硬件方案
官方未指定硬件平台，由参赛队自主选择。下面是两套主流参考方案的对比表。
方案 A：STM32F103CBT6 + 5 风扇 + 5 路循迹（高职组经典方案）
立创开源广场 etrcdian-sai-yi-dui 队（威海职业学院，国二）的工程实践：
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双桨反扭力矩抵消
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方案 B：STM32F407 + 1 主气源 + 4 转向风扇（进阶方案）
针对本科生跨组参赛或高职组想冲国一的队伍：
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PWM 占空比可调
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PWM 调速 + 编码器测速
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8 路灰度传感器阵列
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系统整体框图（文字框图）
主电路拓扑结构：
题目本身是"力学 + 控制"问题，主电路拓扑非常简单——没有 DC-DC、没有逆变器、没有 PLL。核心拓扑就是"5 路 PWM 驱动 + 5 路 GPIO 传感器输入"：
▸ 主气源驱动：P-MOSFET（IRF9Z24NPBF）低边开关，栅极接 12V → 漏源导通 → 中心风扇全速；栅极通过 2N7002K（N-MOSFET）放电 + 1N4007 钳位保护（限制 Vgs ≤ -12V）
▸ 转向风扇驱动：4 路 N-MOSFET（2N7002K）电平转换电路——STM32 3.3V GPIO → 12V PWM 输出（注意：原图实际是全速/关断两态，非 PWM 调速）
▸ 传感器接口：12 路循迹 + 2 路避障，全部走 STM32 GPIO 数字输入 + ADC 模拟输入
为什么选这个拓扑：
▸ IRF9Z24NPBF（PMOS）选型理由：Vds = -55V、Id = -12A、Rds(on) = 0.07Ω，完全覆盖 12V/0.5A 中心风扇。PMOS 优势：低边驱动简单——栅极加电阻拉到 VCC 即可关断，拉低则导通（对主控侧来说"0 = 开"是直觉）
▸ 2N7002K（NMOS）选型理由：Vds = 60V、Id = 0.2A、Rds(on) = 2Ω——电流能力刚刚够驱动 0.2A 的转向风扇。优势：价格便宜（¥0.1/颗），且与 STM32 3.3V GPIO 兼容
▸ 不选用 L293D/BTN7971 等专用电机驱动 IC 的原因：转向风扇用"全速/关断"两态控制足够，专用电机驱动 IC 反而增加成本和 PCB 复杂度。这是高职组"够用就好"的工程哲学
核心元器件选型推荐（基于方案 A）：
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≈ ¥150 |
💻 三、软件控制架构与核心算法
控制闭环逻辑
整个系统有 3 个独立闭环 + 1 个状态机：
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3 个闭环的相互影响：
