二维云台绘图系统 (Two-Axis Drawing Gimbal)

🛠 项目概述 (Project Overview)

这是一个典型的机械电控一体化项目。我独立设计并制作了一个二自由度（2-DOF）云台，能够控制激光笔或画笔在墙面上绘制预设的图形（如正弦波、圆形、爱心）。

• 核心功能：步进电机精准控制、复杂轨迹插补算法、G代码解析。
• 精度指标：定位精度达到 ±0.5°。
• 开发周期：2025.06 - 2025.09

💻 技术栈 (Tech Stack)

⚙️ 硬件与机械设计 (Hardware Design)

3D建模与结构设计

我使用 Fusion 360 完成了所有零部件的设计。为了保证转动的平滑性，我在关节处设计了轴承槽，并考虑到 3D 打印的公差（0.2mm）。

图1：Fusion 360 结构设计视图

🧠 软件与算法实现 (Software & Algorithm)

1. 步进电机 S 型加减速与 k 级调速

为了防止电机在启动和停止时产生抖动（丢步），我没有使用简单的梯形加减速，而是编写了 S 型曲线（Sigmoid） 的速度控制算法，并实现了 k 级调速 以适应不同绘图速度的需求。

// S型加减速与k级调速核心逻辑 (伪代码)
void Step_Motor_S_Curve(int steps, int speed_k) {
    for(int i=0; i<steps; i++) {
        // 根据k级速度因子动态调整周期
        int current_period = sigmoid_lookup[i] / speed_k; 
        
        // 动态调整定时器重装载值
        DL_TimerG_setLoadValue(TIM2, current_period); 
    }
}

2. 轨迹插补算法

如何在二维平面上画出一个完美的圆？我实现了 Bresenham 算法 的变种，将数学坐标实时转换为两个电机的脉冲差，从而实现多轴联动。

📝 制作过程与踩坑记录 (Development Log)

[2025-07-27] 严重的“丢步”问题

现象：画圆的时候，起点和终点重合不了，总是差 5mm 左右。 排查：

1. 以为是插补算法问题，检查了一周代码，没问题。
2. 用示波器看 PWM 波形，发现波形很完美。
3. 最终原因：机械结构过重，电机的力矩不够！ 解决：将云台悬臂的填充率从 100% 降到 20%（3D打印设置），并在电机轴上增加了减速齿轮组。

[2025-08-10] 串口数据包粘包

现象：上位机发送复杂的 G 代码时，单片机经常解析错误。 解决：设计了一个环形缓冲区（Ring Buffer），并定义了帧头帧尾协议 0xAA ... 0x55，彻底解决了数据解析问题。

🎥 实物运行演示 (Live Demo)

这里展示系统在实际运行中的表现。视频未加速，可以清晰看到步进电机在绘制不同曲率线条时的加减速控制效果。

1. 绘制正弦波 (Sine Wave)

难点：验证 Bresenham 算法在连续曲线上的插补平滑度。

2. 绘制爱心 (Heart Shape)

难点：对称图形的坐标变换与尖角处的路径规划。

3. 绘制圆 (Pentagram)

难点：直线段的精确衔接与电机急停急转的惯性抑制。