基于STM32F103+FreeRTOS的扫地机器人工程框架
一、项目说明
重要声明：本工程为简化版扫地机器人框架，基于STM32F103C8T6和FreeRTOS实现核心功能（电机控制、传感器采集、避障逻辑），非小米扫地机器人真实源码（商业源码受知识产权保护，无法公开）。框架模拟了扫地机器人的基本架构，可用于学习嵌入式实时系统设计、FreeRTOS任务调度、电机控制及传感器融合等核心技术。
二、系统架构
graph TD
A[STM32F103主控] -->|FreeRTOS| B[任务调度]
B --> C[主控制任务]
B --> D[电机控制任务]
B --> E[传感器处理任务]
B --> F[路径规划任务]
B --> G[UI交互任务]
C -->|协调| D & E & F & G
D -->|PWM| H[电机驱动]
E -->|I2C/SPI| I[传感器组]
F -->|避障/路径| D
G -->|按键/LED| J[用户接口]
I -->|数据| E
H -->|动力| K[扫地机器人本体]
J -->|控制| C
三、核心模块设计
1. 硬件配置
| 模块 | 型号/接口 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 主控 | STM32F103C8T6 | Cortex-M3@72MHz，64KB Flash |
| 电机驱动 | L298N | 控制左右轮、边刷、风机（PWM） |
| 传感器 | 红外避障(3路)、碰撞开关、MPU6050(陀螺仪) | 环境感知、姿态检测 |
| 通信 | UART1(调试)、UART2(Wi-Fi模块) | 日志输出、远程控制 |
| 电源 | 7.4V锂电池+LM2596降压 | 系统供电(3.3V/5V) |
| 显示 | OLED(SSD1306, I2C) | 状态显示(电量、模式) |
2. FreeRTOS任务划分
| 任务名称 | 优先级 | 功能描述 | 通信方式 |
|---|---|---|---|
Task_Main |
4 | 主控制逻辑(模式切换、状态机) | 队列、信号量 |
Task_Motor |
3 | 电机PWM控制(速度/方向) | 队列(接收路径规划指令) |
Task_Sensor |
2 | 传感器数据采集与预处理 | 队列(发送数据给路径规划) |
Task_PathPlan |
3 | 避障算法(红外+碰撞) | 队列(发送控制指令给电机) |
Task_UI |
1 | OLED显示+按键处理 | 信号量(通知主任务) |
Task_Comm |
2 | 串口通信(调试/远程控制) | 队列(接收控制命令) |
四、核心代码实现
1. 工程结构
SweepRobot_FreeRTOS/
├── Core/
│ ├── Src/
│ │ ├── main.c // 主函数、FreeRTOS初始化
│ │ ├── tasks.c // 任务实现
│ │ ├── freertos.c // FreeRTOS配置(heap、调度器)
│ │ ├── stm32f1xx_it.c // 中断服务函数
│ │ └── drivers/ // 外设驱动(PWM、UART、I2C、ADC)
│ └── Inc/
│ ├── FreeRTOSConfig.h // FreeRTOS配置
│ └── task_def.h // 任务定义与宏
├── Drivers/
│ └── STM32F1xx_HAL_Driver/ // HAL库
└── MDK-ARM/ // Keil工程文件
2. FreeRTOS初始化与任务创建
// main.c
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include "task_def.h"
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config(); // 72MHz
MX_GPIO_Init();
MX_TIM_PWM_Init(); // PWM初始化(电机驱动)
MX_USART1_UART_Init(); // 调试串口
MX_I2C1_Init(); // OLED/MPU6050
MX_ADC1_Init(); // 电池电压采集
// 创建任务
xTaskCreate(Task_Main, "Main", 128, NULL, 4, NULL);
xTaskCreate(Task_Motor, "Motor", 128, NULL, 3, NULL);
xTaskCreate(Task_Sensor, "Sensor", 128, NULL, 2, NULL);
xTaskCreate(Task_PathPlan, "PathPlan", 128, NULL, 3, NULL);
xTaskCreate(Task_UI, "UI", 128, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(Task_Comm, "Comm", 128, NULL, 2, NULL);
// 创建队列(传感器数据队列: 存储10个样本)
sensor_queue = xQueueCreate(10, sizeof(SensorData_t));
// 创建信号量(UI更新信号)
ui_semphr = xSemaphoreCreateBinary();
vTaskStartScheduler(); // 启动调度器
while (1);
}
3. 核心任务实现
（1）电机控制任务 (Task_Motor)
// tasks.c
#include "motor.h"
// 电机控制数据结构
typedef struct {
int16_t left_speed; // 左轮速度(-100~100)
int16_t right_speed; // 右轮速度(-100~100)
uint8_t mode; // 0:停止, 1:前进, 2:后退, 3:左转, 4:右转
} MotorCmd_t;
void Task_Motor(void *pvParameters) {
MotorCmd_t cmd;
TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
while (1) {
// 从队列接收控制指令(阻塞等待)
if (xQueueReceive(motor_queue, &cmd, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
// 设置PWM占空比(STM32 TIM3 CH1/CH2控制左右轮)
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, abs(cmd.left_speed) * 10);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, abs(cmd.right_speed) * 10);
// 设置方向(通过GPIO控制L298N IN1~IN4)
if (cmd.left_speed > 0) { /* 左轮正转 */ }
else { /* 左轮反转 */ }
if (cmd.right_speed > 0) { /* 右轮正转 */ }
else { /* 右轮反转 */ }
}
vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(10)); // 10ms周期
}
}
（2）传感器处理任务 (Task_Sensor)
// tasks.c
#include "sensor.h"
// 传感器数据结构
typedef struct {
uint8_t ir_left; // 左红外(0:有障碍, 1:无障碍)
uint8_t ir_right; // 右红外
uint8_t ir_front; // 前红外
uint8_t collision; // 碰撞开关(0:碰撞, 1:未碰撞)
int16_t gyro_z; // 陀螺仪Z轴角速度(°/s)
} SensorData_t;
void Task_Sensor(void *pvParameters) {
SensorData_t data;
TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
while (1) {
// 读取传感器(模拟)
data.ir_left = HAL_GPIO_ReadPin(IR_LEFT_GPIO_Port, IR_LEFT_Pin);
data.ir_right = HAL_GPIO_ReadPin(IR_RIGHT_GPIO_Port, IR_RIGHT_Pin);
data.ir_front = HAL_GPIO_ReadPin(IR_FRONT_GPIO_Port, IR_FRONT_Pin);
data.collision = HAL_GPIO_ReadPin(COLLISION_GPIO_Port, COLLISION_Pin);
data.gyro_z = MPU6050_ReadGyroZ(); // 读取MPU6050陀螺仪
// 发送数据到路径规划队列
xQueueSend(sensor_queue, &data, 0);
vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(50)); // 50ms采样周期
}
}
（3）路径规划任务 (Task_PathPlan)
// tasks.c
#include "path_plan.h"
void Task_PathPlan(void *pvParameters) {
SensorData_t sensor_data;
MotorCmd_t motor_cmd = {0};
while (1) {
// 从传感器队列接收数据(阻塞等待)
if (xQueueReceive(sensor_queue, &sensor_data, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
// 简单避障逻辑(红外+碰撞)
if (sensor_data.collision == 0) { // 碰撞: 后退+转向
motor_cmd.mode = 2; // 后退
motor_cmd.left_speed = -30;
motor_cmd.right_speed = -30;
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
motor_cmd.mode = 3; // 左转
motor_cmd.left_speed = -20;
motor_cmd.right_speed = 20;
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
}
else if (sensor_data.ir_front == 0) { // 前方有障碍
motor_cmd.mode = 3; // 左转
motor_cmd.left_speed = -20;
motor_cmd.right_speed = 20;
}
else if (sensor_data.ir_left == 0) { // 左侧有障碍
motor_cmd.mode = 4; // 右转
motor_cmd.left_speed = 20;
motor_cmd.right_speed = -20;
}
else { // 无障碍: 前进
motor_cmd.mode = 1;
motor_cmd.left_speed = 40;
motor_cmd.right_speed = 40;
}
// 发送控制指令到电机队列
xQueueSend(motor_queue, &motor_cmd, 0);
}
}
}
（4）主控制任务 (Task_Main)
// tasks.c
void Task_Main(void *pvParameters) {
uint8_t system_mode = 0; // 0:待机, 1:自动清扫, 2:定点清扫
while (1) {
// 模式切换(通过UI任务通知)
if (xSemaphoreTake(ui_semphr, 0) == pdTRUE) {
system_mode = (system_mode + 1) % 3;
}
// 根据模式执行逻辑
switch (system_mode) {
case 0: // 待机: 停止电机
Motor_Stop();
break;
case 1: // 自动清扫: 启动路径规划
xTaskNotifyGive(Task_PathPlan_Handle); // 通知路径规划任务
break;
case 2: // 定点清扫: 待实现
break;
}
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
}
}
4. 关键外设驱动
（1）PWM电机控制 (motor.c)
// drivers/motor.c
#include "motor.h"
TIM_HandleTypeDef htim3; // TIM3用于PWM输出(PA6/PA7)
void MX_TIM_PWM_Init(void) {
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 72-1; // 72MHz/72=1MHz
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 100-1; // 1MHz/100=10kHz PWM频率
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
// 配置CH1(左轮)和CH2(右轮)
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
}
// 设置电机速度(-100~100)
void Motor_SetSpeed(int16_t left, int16_t right) {
// 限制范围
left = (left > 100) ? 100 : (left < -100) ? -100 : left;
right = (right > 100) ? 100 : (right < -100) ? -100 : right;
// 设置PWM占空比(0~100对应0~100%占空比)
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, abs(left));
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, abs(right));
// 设置方向(通过GPIO控制L298N)
HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_Port, IN1_Pin, (left > 0) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_Port, IN2_Pin, (left < 0) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(IN3_GPIO_Port, IN3_Pin, (right > 0) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(IN4_GPIO_Port, IN4_Pin, (right < 0) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}
（2）陀螺仪驱动 (sensor.c)
// drivers/sensor.c
#include "mpu6050.h"
// MPU6050读取陀螺仪Z轴数据
int16_t MPU6050_ReadGyroZ(void) {
uint8_t buf[2];
I2C_ReadBytes(MPU6050_ADDR, GYRO_ZOUT_H, buf, 2); // 读取高8位和低8位
return (int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1]); // 合成16位数据
}
参考代码 xiao米扫地机器人工程源码程序STM32103+freeRTOS www.youwenfan.com/contentcns/182569.html
五、FreeRTOS配置要点
1. FreeRTOSConfig.h关键参数
#define configUSE_PREEMPTION 1 // 抢占式调度
#define configUSE_IDLE_HOOK 0
#define configUSE_TICK_HOOK 0
#define configCPU_CLOCK_HZ (SystemCoreClock) // 72000000Hz
#define configTICK_RATE_HZ ((TickType_t)1000) // 1ms tick
#define configMAX_PRIORITIES (5) // 最大优先级5
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ((uint16_t)128) // 最小栈大小128字
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)(10 * 1024)) // 堆大小10KB
#define configUSE_16_BIT_TICKS 0 // 32位tick计数
2. 任务间通信
- 队列：用于传感器数据、电机控制指令的传递（如
sensor_queue、motor_queue）。 - 信号量：用于UI更新通知（
ui_semphr）、资源互斥（如I2C总线访问）。 - 通知：用于任务间快速唤醒（如主任务通知路径规划任务）。
六、扩展方向
- 真实传感器集成：添加激光雷达（RPLIDAR A1）、悬崖传感器（红外测距）、里程计（编码器）。
- 路径规划算法：实现SLAM（如Gmapping）、A*算法、DWA动态窗口法。
- 电源管理：添加电池电量检测（ADC）、低功耗模式（STOP模式）。
- 通信协议：集成Wi-Fi模块（ESP8266）实现手机APP控制（MQTT协议）。
- 文件系统：添加SPI Flash存储地图数据、清扫记录。
七、注意事项
- 实时性：电机控制任务优先级高于路径规划，确保响应速度。
- 资源竞争：I2C/SPI总线访问需通过互斥量保护（如
xSemaphoreTake(i2c_mutex, portMAX_DELAY)）。 - 调试：通过串口打印任务状态（
vTaskList()）、队列使用情况（uxQueueMessagesWaiting()）。 - 功耗：空闲任务中调用
__WFI()进入低功耗模式。
八、总结
本框架基于STM32F103和FreeRTOS实现了扫地机器人的核心功能，包括任务调度、电机控制、传感器采集和简单避障逻辑。代码结构清晰，模块化设计便于扩展，可作为学习嵌入式实时系统开发的参考。
