基于 FreeRTOS 的自主导航车

项目概述

本项目为校级嵌入式设计竞赛参赛作品，设计了一款基于 STM32F4xx + FreeRTOS 的自主导航小车。系统以 FreeRTOS 多任务为核心，集成了电机 PID 闭环控制、I2C 红外循迹、超声波测距避障、离线语音交互四大功能模块，实现了小车在复杂场景下的稳定自主运行。

核心指标

• 主控：STM32F4xx，主频 168 MHz（8 MHz HSE → PLL）
• 控制周期：40 ms（25 Hz PID 闭环）
• 编码器分辨率：11 PPR × 4 倍频 = 44 脉冲/转
• 速度测量：一阶低通滤波平滑处理
• 超声波测距范围：2 cm ~ 450 cm，超时保护 30 ms
• 循迹方式：I2C 数字传感器（地址 0x12），单字节数据帧
• 语音通信：UART4 115200bps，自定义协议帧 AA 55 00 CMD FB

硬件架构

引脚分配

| 功能 | 引脚 | 说明 | |------|------|------| | 左电机 PWM | TIM1_CH3 (PB14) | Period=1999, PWM 调速 | | 右电机 PWM | TIM1_CH4 (PB15) | 左/右电机独立 PWM | | 舵机 PWM | TIM1_CH2 (PB11) | 50Hz, 50~250 对应 0°~180° | | 左电机方向 | PB8, PB9 | 正/反转 + 停止 | | 右电机方向 | PB10, PB11 | 正/反转 + 停止 | | 左编码器 | TIM4 (PA6, PA7) | 编码器模式 TI12 | | 右编码器 | TIM3 (PA6, PA7) | 编码器模式 TI12 | | 超声波 Trig | PB12 | 输出 10us 以上高脉冲 | | 超声波 Echo | PB13 | 输入高电平时间 | | 语音模块 | UART4 (PA0, PA1) | 115200, 8N1, 中断接收 | | 调试串口 | USART3 (PB10, PB11) | printf 日志输出 | | 循迹传感器 | I2C3 (PB8, PB9) | 100kHz, 7 位地址 0x12 |

系统时钟

• HSE: 8 MHz 外部晶振
• PLL: M=4, N=168, P=2, Q=7 → SYSCLK = 168 MHz
• APB1 = 42 MHz（定时器时钟 84 MHz）
• APB2 = 84 MHz
• FreeRTOS Tick = 1 ms

FreeRTOS 多任务设计

任务划分

系统共创建 5 个任务，通过 CMSIS-RTOS2 API 管理：

| 任务名 | 优先级 | 栈大小 | 周期 | 职责 | |--------|--------|--------|------|------| | PID_DebugTask | Normal | 2048 B | 40 ms | 核心控制：读编码器 → 计算速度 → PID → 输出 PWM | | voiceRecvTask | AboveNormal | 2048 B | 事件驱动 | 从消息队列取语音指令，解析并执行动作 | | trackTask | AboveNormal | 2048 B | 20 ms | 读 I2C 循迹传感器，根据路径偏差调整目标速度 | | ultraTask | Low | 2048 B | 80 ms | 超声波测距（周期性触发） | | defaultTask | Normal | 1024 B | 1 ms | 空闲任务，系统初始化后空转 |

任务间通信

传感器数据通过 消息队列（osMessageQueue）投递，控制任务阻塞等待，避免轮询浪费 CPU：

┌────────────┐    ┌────────────────┐    ┌───────────────┐
│  UART4 ISR  │───▶│ voiceCmdQueue  │───▶│ voiceRecvTask │
└────────────┘    └────────────────┘    └───────┬───────┘
                                                │ 设置 target_speed
                                                ▼
┌────────────┐                          ┌───────────────┐
│   TIM4/3   │───▶ PID_DebugTask ◀──────│ target_speed  │
│  编码器     │    │ 读编码器         │   └───────────────┘
└────────────┘    │ 算速度           │
                  │ PID 计算         │
                  │ 输出 PWM         │
                  └───────────────┘

电机 PID 闭环控制

增量式 PID 算法

系统采用 增量式 PID 分别控制左、右两路电机，以编码器反馈的实际速度作为闭环输入：

typedef struct {
    float Kp;           // 比例增益
    float Ki;           // 积分增益
    float Kd;           // 微分增益
    float err;          // 当前误差 = 目标 - 实际
    float last_err;     // 上次误差
    float last_real;    // 上次实际值（用于微分）
    float integral;     // 积分累加
    float out;          // PID 输出（PWM 占空比）
    float max_out;      // 输出限幅（100%）
} PID_TypeDef;

积分分离

当误差绝对值大于阈值（0.2）时停止积分，防止大偏差下积分饱和导致超调；当误差减小时恢复积分，消除静差：

if (fabs(pid->err) > 0.2f) {
    // 大偏差：不积分，防止超调
} else {
    pid->integral += pid->err;
}
// 积分限幅 ±150
if (pid->integral > 150)  pid->integral = 150;
if (pid->integral < -150) pid->integral = -150;

PID 参数

左/右电机独立 PID 控制器：

| 参数 | 左电机 | 右电机 | |------|--------|--------| | Kp | 0.30 | 0.30 | | Ki | 0.25 | 0.25 | | Kd | 0.08 | 0.08 | | max_out | 100% | 100% | | 积分分离阈值 | 0.2 | 0.2 | | 积分限幅 | ±150 | ±150 |

编码器测速与滤波

通过定时器编码器模式读取左/右编码器增量，计算实际速度：

// 增量计算（处理溢出）
int32_t inc = (int32_t)now - (int32_t)last;
if (inc >  ENCODER_MAX/2) inc -= (ENCODER_MAX + 1);
if (inc < -ENCODER_MAX/2) inc += (ENCODER_MAX + 1);

// 速度换算：inc * 25.0 / (PPR * MULTI)
float spd = (encoder * 25.0f) / (ENCODER_PPR * ENCODER_MULTI);

// 一阶低通滤波
speed_filt = speed_filt * 0.75f + spd * 0.25f;

循迹功能

通过 I2C3 读取 8 路红外循迹传感器数据（1 字节），根据路径偏差调整左右轮目标速度实现循迹。控制逻辑如下：

| sensor_data 位 | 含义 | 左轮目标 | 右轮目标 | |----------------|------|----------|----------| | bit3 = 1（左侧触发） | 偏右 → 向右修正 | 18 | 38 | | bit0 = 1（右侧触发） | 偏左 → 向左修正 | 38 | 18 | | bit1&bit2 = 1（中间触发） | 居中直行 | 35 | 35 | | 其他（微小偏移） | 低速直行微调 | 32 | 32 |

循迹任务周期 20 ms，有使能开关（track_enable），可由语音指令开启/关闭。

超声波测距

测量原理

1. Trig 引脚输出 12 us 高脉冲触发测量
2. 等待 Echo 变高，开始计时
3. 等待 Echo 变低，停止计时
4. 距离 = 高电平时间 × 0.017（声速 340 m/s）

滤波处理

单次测量存在噪声，采用 多次测量取中值平均：

float Get_Avg_Distance(uint8_t times) {
    float buf[10];
    uint8_t cnt = 0;
    for (int i = 0; i < times; i++) {
        float d = Get_Distance();
        if (d > 0) buf[cnt++] = d;
        osDelay(15);
    }
    if (cnt < 3) return 999;  // 无效

    // 冒泡排序
    sort(buf, cnt);

    // 去掉最大最小值后取平均
    float sum = 0;
    for (int i = 1; i < cnt - 1; i++) sum += buf[i];
    return sum / (cnt - 2);
}

测距范围：2 cm ~ 450 cm，超时返回 -1。

语音交互

通信协议

UART4 中断接收，自定义帧格式：

帧头    保留    命令字    校验
0xAA    0x00    CMD      0xFB
0x55

采用状态机逐字节解析，5 字节一帧，校验通过后入队消息队列。

指令集

| 命令字 | 功能 | 左轮速度 | 右轮速度 | |--------|------|----------|----------| | 0x01 | 前进 | 40 | 40 | | 0x02 | 停止 | 0 | 0 | | 0x03 | 加速 (+10) | target+10 | target+10 | | 0x04 | 减速 (-10) | target-10 | target-10 | | 0x05 | 开启循迹 | - | - | | 0x0A | 关闭循迹 + 停止 | 0 | 0 | | 0x0B | 后退 | -40 | -40 | | 0x0C | 左转 | 15 | 45 | | 0x0D | 右转 | 45 | 15 |

串口错误恢复

针对语音模块休眠时 RX 电平不稳触发 FE（帧错误）或 ORE（过载错误）导致接收锁死的问题，在 HAL_UART_ErrorCallback 中实现错误恢复：

void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == UART4) {
        __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(huart);  // 清除 ORE
        __HAL_UART_CLEAR_FEFLAG(huart);   // 清除 FE
        __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(huart);   // 清除 PE
        rx_state = 0;                      // 重置接收状态机
        HAL_UART_Receive_IT(&huart4, &uart4_rx_data, 1); // 重启中断接收
    }
}

项目成果

• 支持 9 种离线语音指令控制小车运动
• I2C 红外循迹传感器实现路径跟随
• HC-SR04 超声波测距 + 中值滤波，2~450cm 有效范围
• 双路电机独立 PID 闭环控制，编码器反馈 + 低通滤波
• FreeRTOS 多任务调度，消息队列任务间通信
• 串口错误自动恢复机制
• 获校级嵌入式设计竞赛一等奖