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简介：面向嵌入式学习者的STM32三路超声波自动跟随小车完整工程，基于STM32与三路超声波传感器实现障碍检测与自动跟随，涵盖控制策略、传感器应用及电机驱动等核心内容，适合作课程设计、毕业设计或智能车入门实践。资源包共309个文件，压缩包8.45MB，以c/h源文件为主，包含大量编译中间文件（o、crf、s等）以及hex、uvproj、ewp等工程配置文件，可对照源码、配置与输出文件快速理解工程结构和调试流程。目前已有2399人学习下载。项目工程不仅给出主函数和硬件配置，还包含Keil/IAR等工程文件、调试脚本与map文件，便于使用者分析编译链接细节和内存分布；同时可结合描述中的PID或模糊控制思路，自行优化跟随策略，是掌握STM32嵌入式开发与超声测距应用的实用参考。 我这次做的小车从立项到跑通，前后折腾了两周半。核心目标很明确：用STM32做主控，靠三路超声波传感器实现对人体的实时测距和方向判断，让小车能自动跟着人走，既不掉队也不怼人。过程中踩了不少坑，也把网上零散的资料整理成了自己的代码框架。这篇就按我的实现思路，把这台三路超声波自动跟随小车的硬件选型、控制逻辑、代码细节和调参经验完整捋一遍。如果你正准备做类似的STM32项目，或者拿它当毕设底子，这篇文章里提到的很多细节可以直接用。

1. 三路超声波方案：它到底比单路、双路强在哪

1.1 自动跟随的需求难点拆解

先说结论：只靠一个超声波模块，做出来的东西充其量叫"避障小车"，不叫"跟随小车"。单路超声波放在正前方时，小车能知道前方有没有障碍物、距离多远，但它完全不知道目标在左边还是右边。双路超声波如果左右各放一个，可以判断目标偏哪边，可一旦目标离得很近或者偏离角度超过传感器波束角，小车就会丢失目标，原地愣住。

自动跟随本质上要解决三个同时发生的问题：目标有多远、目标在哪个方向、我该用多大速度往哪个方向跑。三路超声波恰好覆盖了这三个需求——正前方一路负责测纵向距离，左右两路负责测横向偏移。三路数据组合起来，就能判断出目标大致处于小车前方扇形区域的哪个位置，从而决策出前进、后退、左转、右转、停止五个基本动作。

我最终选的是 HC-SR04 超声波模块，三块同型号。之所以不用单总线集成的激光雷达或 TOF 传感器，一是成本问题，三块 HC-SR04 加起来不到三十块钱；二是这个项目本来就是练手性质，HC-SR04 的触发和回波逻辑够简单，配合定时器输入捕获就能做精确测距，非常适合理解测距原理。如果你的预算充裕，可以把传感器换成 US-015 或者 JSN-SR04T，代码逻辑基本不变，只是电气参数和波束角略有差异。

1.2 硬件清单与接线规划

我在硬件选型上没有堆料，全部按"够用且好调"的标准来：

这里 CH1 到 STM32 的接线我直接给出来，免得新手对着数据手册翻半天：

有一点必须提：HC-SR04 的 Echo 回波引脚输出的是 5V 高电平，而 STM32F103 的 GPIO 是 5V 容忍的，可以直接接，不会烧引脚。但如果是其它型号的单片机，先确认是否 5V 容忍，不是的话必须加电平转换或分压电阻。

2. 传感器布局与跟随决策表：小车是怎么"想"出方向的

2.1 三路探头的物理布局与测量范围

布局方式直接决定决策逻辑能不能成立。我采用的是"正前方 0 度 + 左右各 45 度"的布局：前路传感器平行于车头指向正前方，左右两路分别向外侧偏转 45 度安装。HC-SR04 的波束角大约 15 度，偏转 45 度之后，左右两路的探测区域会在车前方形成交叉覆盖。三路传感器能覆盖车身正前方大约 120 度的扇形区域，目标只要在这个范围内，至少有一路传感器能测到有效距离。

安装高度方面，我踩了个坑：传感器离地太近，会把地面当成障碍物，尤其是走过瓷砖缝隙或者地面有轻微凸起时，回波会直接误判。后来把传感器安装在离地 8 到 10 厘米的高度，倾斜角往下压 5 度左右，让波束平行于人体小腿高度，效果明显改善。

还有一个容易忽略的点：三路传感器的 Trig 和 Echo 信号线要避免和电机电源线走在一起。HC-SR04 的 Echo 回波是微秒级的高电平脉宽，电机启停时的电流尖峰如果串进信号线，测距值会出现偶发抖动。我在布局时把信号线全部走车架上层，电源线走下层的过线槽，两者保持 3 厘米以上间距，实测干扰小了很多。

2.2 五状态跟随决策逻辑

传感器的数据读到之后，不能直接拿去驱动电机，中间必须有一个"状态决策"层。我定义了一个五状态有限状态机：停止、前进、后退、左转、右转。决策输入是三路距离值，输出是电机 PWM 占空比和方向电平。

先设定几个关键阈值：

跟随的核心逻辑分两层判断。第一层是纵向距离判断：取前路距离值 F，如果 F 小于 20cm，无论左右如何，立即停车；如果 F 在 30cm 到 50cm 之间，纵向不动作，保持当前速度；如果 F 大于 50cm，前进；F 小于 30cm 且大于 20cm，后退。第二层才是方向判断：取左右两路距离 L 和 R，如果 L 比 R 大超过 15cm，说明目标偏右，需要右转；反过来则左转。当左右差在正负 15cm 以内时，认为目标在正前方，不修正方向。

"先判距离、再判方向"这个顺序很重要。如果先判方向，遇到目标很近的情况，小车可能一边停车一边原地转向，姿态非常奇怪。先保证纵向距离安全，再解决横向偏差，控制逻辑会顺很多。

2.3 状态机的代码骨架

状态机本身不复杂，关键是要写得可读、易调参。我的实现里把每个状态对应的动作封装成了独立函数，主循环里只做"状态判定 + 动作执行"两件事：

typedef enum { STATE_STOP, STATE_FORWARD, STATE_BACKWARD, STATE_LEFT, STATE_RIGHT } FollowState; FollowState follow_state_machine(float dist_front, float dist_left, float dist_right) { if (dist_front < STOP_DIST) { return STATE_STOP; } if (dist_front < FOLLOW_MIN) { return STATE_BACKWARD; } if (dist_front > FOLLOW_MAX) { return STATE_FORWARD; } float offset = dist_left - dist_right; if (offset > OFFSET_DEAD) { return STATE_RIGHT; } if (offset < -OFFSET_DEAD) { return STATE_LEFT; } return STATE_STOP; }

这个函数返回的是目标状态，真正执行时还要根据目标状态设定电机方向和 PWM。有一点需要额外说明：为什么在 30cm 到 50cm 区间内且左右平衡时选择"停止"而不是"原地等待"？因为在跟随场景下，这个区间是理想跟随时距，此时目标相对于小车基本静止，小车不需要补充位移。如果此时继续前进，会迅速突破 20cm 的安全距离，导致停车-后退-前进的来回震荡。

3. 从定时器捕获到 PWM 输出：代码实现全链路

3.1 超声波测距为什么不建议用 Delay

HC-SR04 的测距原理不难：Trig 引脚给 10 微秒以上的高电平，模块内部自动发出 8 个 40kHz 的超声波脉冲，同时 Echo 引脚拉高；当模块收到回波，Echo 拉低。Echo 高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的总时间，距离等于时间乘以声速再除以 2。

网上很多教程直接用一个 GPIO 口测 Echo 高电平时间，方法是while(ECHO_PIN == 1) { time++; }。这种做法在单路测距时勉强能跑，但在三路跟随场景下问题很大：Echo 高电平持续时间最长能到 30ms 级别，如果主循环里死等三路回波，总共可能要阻塞近 100ms，电机控制的实时性完全没法保证。小车会出现在目标已经转向时，控制指令还停留在上一帧的状态。

我改用 STM32 的定时器输入捕获功能来测脉宽。原理是：把定时器配置成捕获模式，Echo 引脚出现上升沿时记录当前计数值，下降沿时再次记录，两个计数值之差除以定时器时钟频率就是高电平持续时长。整个过程不阻塞 CPU，主循环可以同时处理电机控制。

以下是关键配置代码，用的是标准库，TIM2 的四个通道里我用了通道 2、3、4 来接三路 Echo：

void TIM2_Capture_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 0xFFFF; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 72MHz / 72 = 1MHz，计数周期 1us TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0F; TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure); // 通道3、4配置类似，省略 TIM_SelectInputTrigger(TIM2, TIM_TS_TI2FP2); TIM_SelectSlaveMode(TIM2, TIM_SlaveMode_Reset); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); }

这里有一个设计细节：我把 TIM2 配置成「上升沿复位从模式」，意思是每当通道 2 出现上升沿时，定时器计数值自动清零。这样当下降沿中断发生时，直接读取TIM_GetCapture2(TIM2)拿到的就是整个高电平的宽度，不需要额外保存上升沿计数值再相减。这个技巧对三路测距尤其有用，因为每路 Echo 都对应一个独立的捕获寄存器，互不干扰。

3.2 超声波轮流触发：三路不打架的关键

三路 HC-SR04 如果同时触发，回波会互相串扰：A 路发出的声波被 B 路接收，或者多路回波叠加导致测距值无规律跳动。解决办法是轮流触发，每一路之间间隔至少 60ms。

这里有个经验值：超声波在空气中的传播速度约 340m/s，实测距离若按 4.5m 最大量程算，单次测距往返时间约 26ms。间隔取 60ms 既保证了上一路回波完全结束，又留出了余量。我的主循环框架大致是这样：

while (1) { // 轮流触发三路超声波 trigger_ultrasonic(TRIG_FRONT); delay_ms(60); dist_front = get_distance(ECHO_FRONT); trigger_ultrasonic(TRIG_LEFT); delay_ms(60); dist_left = get_distance(ECHO_LEFT); trigger_ultrasonic(TRIG_RIGHT); delay_ms(60); dist_right = get_distance(ECHO_RIGHT); // 距离平滑滤波 dist_front = smooth_filter(dist_front, 0.3); dist_left = smooth_filter(dist_left, 0.3); dist_right = smooth_filter(dist_right, 0.3); // 状态判定与电机控制 state = follow_state_machine(dist_front, dist_left, dist_right); motor_control(state); }

距离计算公式也一并给出：

float get_distance(uint16_t echo_pin) { uint32_t pulse_width = TIM_GetCapture2(TIM2); // 单位微秒 float distance_cm = pulse_width * 0.0343f / 2.0f; return distance_cm; }

0.0343 是声速 343m/s 换算成 cm/us 的值。这个参数在不同温度下略有变化，如果需要高精度可以加温度补偿，但对于跟随小车来说，这个精度完全够用。

3.3 电机的差速控制：左转右转其实是"一边快一边慢"

两轮差速驱动小车的转向原理很简单：想让小车右转，就让左轮转得快、右轮转得慢甚至反转；想让小车左转，则反过来。我用 TIM3 的通道 1 和通道 2 输出两路 PWM，通过改变占空比控制速度。

PWM 频率我选的是 1kHz。这个频率是直流减速电机的典型工作区间，既能保证扭矩输出稳定，又不会产生刺耳的啸叫。1kHz 以上的 PWM 频率会降低电机感性负载的电流纹波，但驱动芯片的开关损耗也会增加，1kHz 在这个项目里是性价比最高的选择。

电机控制函数如下：

void motor_control(FollowState state) { switch (state) { case STATE_STOP: set_motor_left(0, 0); set_motor_right(0, 0); break; case STATE_FORWARD: set_motor_left(SPEED_NORMAL, 1); set_motor_right(SPEED_NORMAL, 1); break; case STATE_BACKWARD: set_motor_left(SPEED_NORMAL, 0); set_motor_right(SPEED_NORMAL, 0); break; case STATE_LEFT: set_motor_left(SPEED_TURN, 0); // 左轮反转 set_motor_right(SPEED_TURN, 1); // 右轮正转 break; case STATE_RIGHT: set_motor_left(SPEED_TURN, 1); set_motor_right(SPEED_TURN, 0); break; } }

set_motor_left(speed, direction)的第一个参数是 PWM 占空比比较值，第二个参数控制电机方向。我用的 L298N 模块，IN1/IN2 的高低位组合决定正反转，ENA/ENB 接 STM32 的 PWM 输出控制速度。SPEED_NORMAL我取的 3200（在 0-9999 的 ARR 区间里约占 32%），这个值在实际测试中能让小车以约 0.4m/s 的速度跟随，既不会太慢让目标走远，也不会太快导致反应不及。SPEED_TURN我取 2800，转向稍微降一点速，减少急转时的离心感。

4. 调试过程实录：三路超声波小车最常见的三个坑

4.1 三路传感器互相干扰导致距离跳变

我最初把三路超声波同时触发，结果串口打印出来的距离值非常诡异：正前方明明站着人，显示 80cm，人走开后反而变成 40cm。排查过程是这样的：先用排除法，把左右两路的 Trig 线拔掉，只保留前路，测距恢复正常。再把左路接回去，不触发它，仍然正常。最后确认问题出在"同时触发"上。

原因很直观：三路传感器同时发射 40kHz 超声波，声波在空间里叠加，A 路的回波可能被 B 路的接收头捕捉到。由于三路声波发射时间一致，干扰波和真实回波混在一起，测出来的脉宽毫无规律。

解决方案就是我在 3.2 写的轮流触发。这里额外补充一个细节：左右两路的安装角度是 45 度，声波打到人体后反射路径更复杂，回波信号比前路弱，更容易受干扰。所以我在软件里加了数据有效性判断：距离值小于 2cm 或大于 400cm 时判定为无效数据，丢弃且不更新距离变量，沿用上一次的合法值。这样即使偶尔测到异常值，也不会导致小车突然抽搐。

4.2 电机启动瞬间 STM32 复位

这个坑是最隐蔽的。现象是：小车原地静止时一切正常，一给前进指令电机启动，STM32 就重启，串口打印的初始化信息反复出现。

用万用表量电池电压，空载 7.4V，接上电机后瞬间掉到 6V 以下，但 STM32 的供电是经过 LM2596 降到 5V 的，按理说不会受这么大影响。问题出在共地回了上：L298N 的 GND 虽然和 STM32 的 GND 接了，但电机的大电流脉冲会在这个公共地上产生压降，导致 STM32 的参考地瞬间被抬升，5V 供电实际上变成了 4.2V 甚至更低，主控复位。

解决办法分三步：第一，给 L298N 的电机电源输入端并联一个大电容，我用的是 470uF 电解电容加 0.1uF 陶瓷电容，吸收电机启动时的瞬时大电流；第二，保证 L298N 的逻辑供电（5V）和 STM32 的供电隔离，我用的是双路输出降压模块，一路给主控，一路给电机驱动逻辑电路；第三，PID 调速时避免 PWM 从 0 突然跳到目标值，软件里做了加速斜坡，每 20ms 增加一小步占空比，让电流平缓上升。

4.3 目标跟丢之后的"搜索"策略

小车跟人的过程中，人转弯时很容易突然跑出超声波覆盖范围，三路传感器全测不到有效距离。如果此时不做任何处理，小车会停车等待，体验很差。

我加了一个"丢失计时器"逻辑：当连续 10 个控制周期内三路距离都无效时，认为目标已丢失。此时小车进入搜索模式：先原地右转 90 度，等待 500ms，再左转 180 度扫描一遍。如果在搜索过程中任何一路测到有效距离，立即退出搜索模式，回到正常跟随状态。

这个策略要注意一个问题：单靠超声波搜索目标，本质上是个"盲搜"，如果目标站在小车正后方，三路传感器全都测不到，小车永远找不到目标。我做了一个折中：搜索模式持续 5 秒后自动停车，等待人工干预。想彻底解决这个问题，可以考虑加入一个舵机带动超声波模块做 180 度扫描，但这已经超出三路固定传感器的范畴了，可以作为下一个改进方向。

5. 调参经验与下一步能玩出的花活

5.1 实测调参记录：哪些参数最值得反复试

跟随小车的好不好用，一半靠硬件，一半靠参数。我在测试中积累了几个关键调节点：

OFFSET_DEAD 的调整尤其值得多说两句。这个参数本质上是个滞回比较器，控制左右转向的灵敏度。调小了，小车对目标的横向偏移反应太灵敏，人稍微侧身它就转向，行驶轨迹是"之"字形的；调大了，目标已经偏到很侧边了也不转向，容易跟丢。我的经验是：先定一个值跑直道，观察小车轨迹是不是直线，如果不是，就逐步加大 OFFSET_DEAD，直到直道轨迹平稳。

5.2 功能扩展方向：让跟随小车从"能跑"到"好用"

三路超声波自动跟随小车做到这一步，已经具备了完整的感知、决策、执行闭环。这个平台后续可以玩的方向很多，我列几个我认为性价比最高的：

第一，加入闭环速度控制。当前速度是开环的，电池电量不同、地面摩擦不同都会影响实际速度。用编码器电机加 PID 闭环，可以让小车在坡道和地毯上也保持恒定速度。第二，给小车加一个蜂鸣器和 LED 灯条，用不同声音和光效提示当前状态——跟随中、目标丢失、电量低——实用性一下就上来了。第三，把主控从 STM32F103C8T6 升级到 STM32F407 或加一块 ESP8266 模块，把状态数据无线发到手机 App 上，远程监控小车运行日志，调试效率能高一个档次。

还有一个我自己很感兴趣的进阶方向：用卡尔曼滤波把三路超声波数据和 MPU6050 的角速度数据融合，解决超声波数据毛刺多、刷新率低的问题。这样小车在快速转向时也能保持平滑的姿态估计，跟随体验会接近工业级的 AGV 小车。

这个项目的完整工程文件包括 HARDWARE 驱动层代码、CORE 核心文件、SYSTEM 系统文件、USER 用户代码，以及原理图和 PCB 设计文件，全部整合在一个工程包内。如果你正在准备毕业设计或者想系统练一遍 STM32 开发，直接拿这套工程去改，比从零写要省太多时间。我的建议是：先把超声波测距和电机控制的底层驱动跑通，再一步步套上状态机逻辑，最后再来调参，整个过程会非常顺畅。

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