基于 STM32 的工程级扫地机器人方案

基于 STM32 的工程级扫地机器人方案。这个方案摒弃了玩具级的"随机乱撞"，引入了半结构化路径规划。

一、系统总体架构（分层设计）

层级	功能	核心技术
执行层	运动与清扫	直流电机、PID调速、PWM
感知层	环境探测	超声波阵列、红外悬崖检测
决策层	避障行为	有限状态机 (FSM)
规划层	清扫路径	弓字形覆盖、沿墙算法

二、硬件选型与接线（STM32 核心）

1. 核心控制器

MCU：STM32F103RET6（或 F407，Flash 大，IO 多）
原因：需要处理多路超声波时序和 PID 运算。

2. 运动底盘

驱动方式 ：差速驱动（左右轮独立电机 + 万向轮）。
电机：带编码器的直流减速电机（用于里程计和速度闭环）。
驱动：TB6612FNG 或 DRV8833。

3. 传感器阵列（避障核心）

前方避障：3 个 HC-SR04 超声波（左、中、右），覆盖 120°。
悬崖检测：2 个红外反射传感器（机身底部前方左右），防止跌落楼梯。
碰撞检测：1 个微动开关（保险丝）。
沿墙辅助：1 个侧面红外/超声波（用于贴边清扫）。

4. 清扫机构

主刷：滚刷电机（吸入垃圾）。
边刷：侧边电机（扫入墙角垃圾）。

三、核心控制算法

1. 超声波避障逻辑（防撞）

不要只看"小于 10cm 就停"，那样太迟钝。建议采用三级预警：

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// 伪代码：超声波数据处理
float distance_center = Get_Ultrasonic(CENTER);
float distance_left   = Get_Ultrasonic(LEFT);
float distance_right  = Get_Ultrasonic(RIGHT);

#define DANGER_DIST 15.0f  // 厘米，危险距离
#define SAFE_DIST   30.0f

if (distance_center < DANGER_DIST) {
    // 紧急停止并后退
    Robot_Backward(500); // 后退500ms
    // 随机转向，防止卡死
    if (rand() % 2) Robot_TurnLeft(90);
    else Robot_TurnRight(90);
} else if (distance_center < SAFE_DIST) {
    // 减速并微调
    Set_Speed(SLOW_SPEED);
    // 如果左边空，向左转避开
    if (distance_left > distance_right) {
        Robot_TurnLeft(15);
    } else {
        Robot_TurnRight(15);
    }
}

2. 有限状态机 (FSM) 行为控制

这是实现"智能"的关键。机器人永远处于某一种状态。

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typedef enum {
    STATE_IDLE,           // 待机
    STATE_CLEANING,       // 清扫中（直行）
    STATE_BACKING,        // 后退
    STATE_TURNING,        // 转向
    STATE_EDGE_CLEANING,  // 沿墙清扫
    STATE_STUCK           // 被困（报警）
} Robot_State_t;

Robot_State_t robot_state = STATE_CLEANING;

void Robot_State_Machine(void) {
    switch (robot_state) {
        case STATE_CLEANING:
            if (Is_Collision() || Is_Cliff()) {
                robot_state = STATE_BACKING;
            } else if (Is_Wall_On_Left()) {
                robot_state = STATE_EDGE_CLEANING; // 切换到沿墙模式
            } else {
                Robot_Forward(NORMAL_SPEED);
            }
            break;

        case STATE_EDGE_CLEANING:
            // 沿墙算法：保持左侧距离恒定（如 5cm）
            Wall_Following_Control();
            break;
            
        // ... 其他状态处理
    }
}

3. 路径规划（从"乱撞"到"覆盖"）

单纯的随机碰撞效率极低（覆盖率 < 60%）。

基础版（推荐） ：弓字形规划 (Bow Pattern) 。
- 机器人沿着一条直线清扫，直到碰到墙。
- 碰到墙后，向右转 90°，前进一小段（换行距）。
- 再右转 90°，继续直线清扫。
进阶版 ：结合编码器里程计，记录行走距离，实现真正的矩形覆盖。

四、STM32 程序框架（代码片段）

1. 电机 PID 闭环（保证走直线）

扫地机器人必须走直线，否则扫不干净。

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// 编码器读取速度
int16_t speed_left = Read_Encoder(LEFT);
int16_t speed_right = Read_Encoder(RIGHT);

// 差速修正（简单P控制）
int16_t speed_error = speed_left - speed_right;
int16_t adjust = speed_error * 0.5; // P系数

Set_Motor_PWM(LEFT, target_speed + adjust);
Set_Motor_PWM(RIGHT, target_speed - adjust);

2. 定时器中断（控制节拍）

所有的决策必须在固定频率下执行，防止逻辑混乱。

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void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM2) { // 10ms 中断
        // 1. 读取传感器
        Sensor_Update();
        
        // 2. 执行状态机
        Robot_State_Machine();
        
        // 3. 更新电机PID
        Motor_PID_Update();
    }
}

参考代码实现智能控制，并进行超声波避障 www.youwenfan.com/contentcsu/69815.html

五、清扫有效性保障

边刷与风道：硬件设计上，边刷必须将灰尘扫入吸尘口，否则吸力再大也没用。
越障能力：轮子的直径要大于 4cm，才能越过门槛和地毯边缘。
防缠绕：主刷电机要有电流检测，如果电流过大（被电线缠住），立即反转或停止。
回充对接（进阶）：在充电桩两侧放置红外信标，机器人通过寻找红外光源自动对接充电。

六、调试建议

先调底盘：在不装清扫机构的情况下，先让底盘能走直线、能精准转 90 度。
再调避障：用手挡住超声波，看机器人是否能及时减速和转向。
最后调路径：在一个空房间里测试，看是否出现明显的漏扫区域。