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：

// 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。

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。

// 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。

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/contentcnu/69815.html

五、清扫有效性保障

1. 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。
2. 越障能力：轮子的直径要大于 4cm，才能越过门槛和地毯边缘。
3. 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。
4. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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。