简介：面向嵌入式学习者，这是一份STM32三路超声波自动跟随小车完整工程资源，围绕自动跟随场景提供基于ARM Cortex-M内核微控制器的完整控制程序，涵盖多路超声波测距、三向目标方位判断与电机驱动控制；三个超声波传感器分别布置于车前方不同位置，通过距离差感知目标位置并调整左右电机转速，实现较稳定的动态跟随。压缩包共309个文件，约8.45MB，以.c/.h源文件与硬件配置头文件为核心，同时包含uvproj/eww工程文件、hex/axf烧录固件、bat脚本及编译中间文件，可导入Keil或IAR直接查看与重新编译。已有2403人学习/下载，项目覆盖超声波触发与回波捕获、GPIO中断配置、主循环距离计算、三路传感器布局与跟随算法框架，源码结构清晰，适合电子竞赛备赛、智能车实践及嵌入式入门。借助自带工程配置和调试会话文件，可较快完成固件烧录与实车调参，并继续优化算法或移植至其他STM32型号。

1. 这是“测距”还是“测方位”？三路超声波小车的真正门槛

很多人在做跟随小车的第一版时，都只在正前方装一颗超声波。结果小车只能跟直线——目标一转弯，它就分不清“人往左拐了”还是“人后退了”，要么直直撞上去，要么原地打转。STM32三路超声波自动跟随小车这个名字，看起来只是比单路多了两个探头，实际上方案的核心是把跟随从“测距”升级成“测方位”：左、前、右三路回波一起读，才能判断目标在左边还是右边、该往哪转。这套方案难度不高，一颗 STM32F103C8T6 最小系统板加三颗 HC-SR04 就能跑起来，适合刚学完串口和 GPIO、想做一个能动、会转向的完整小车的阶段。下面按我实际搭这套车的顺序，讲原理、接线、源码和踩过的坑。

2. 三路超声波的跟随原理：为什么单路会跟丢

2.1 HC-SR04 的测距模型和单路方案的先天不足

先明确一点：HC-SR04 测距靠的是“给 TRIG 引脚一个 10us 以上的高电平，模块发出 8 个 40kHz 超声波脉冲，然后 ECHO 引脚输出一段高电平，高电平持续时间就是声波往返时间”。所以距离公式是固定的：

距离(cm) = ECHO 高电平时间(us) × 0.034 / 2 ≈ 时间(us) × 0.017

这个模型在单路方案下有两个致命问题。第一，它只能告诉你“前方有东西，距离多远”，但无法告诉你“这个东西在往哪边移动”。第二，超声波的波束角大约是 15 度，一颗传感器测到的是前方一个圆锥形区域内的最近反射点，当目标从正前方偏到侧面时，只要圆锥还能扫到目标边缘，读数就还在变化，小车无法从距离变化里区分“目标左移”和“目标后退”。

所以单路小车最常见的表现是：目标静止时它能慢慢靠近并停下，目标一旦侧移，它会先加速冲向目标原来站的位置，然后因为失去反射信号而急停。这在室内跟人的场景里几乎不可用。要解决，必须从“测一个点”变成“测一个面”，也就是三路布局。

2.2 左、前、右三路布局与方位判定逻辑

三路传感器我一般装在车头同一高度，间距 5~8cm，左探头朝左前方约 30 度、中探头正前方、右探头朝右前方约 30 度。这样做的目的不是追求“三个距离都精确”，而是让三个距离之间出现可判断的差异。

具体判定逻辑按优先级可以这样写：先看中路距离，如果中路小于停车阈值，不管左右怎么变，先停车，避免撞上；如果中路在跟随区间内，再看左路减右路的差值，差值大于死区说明目标偏左，小于负死区说明目标偏右，在死区之内说明目标基本正对，就直行。如果中路距离超过丢失阈值，进入搜索状态。这套逻辑用很少的代码就能实现，而且比直接拿三路距离做 PID 更稳。

这里有个容易被忽略的点：差值必须做多帧确认。超声波单次读数有 ±2cm 的抖动，如果只取一帧就判断方向，目标明明站在正前方，差值也可能偶尔超过死区，小车就会左右乱摆。我一般连续取 3 帧，方向判断结果一致才执行转向动作。

2.3 跟随距离分区：为什么我不建议直接上连续 PID

很多做驱动的同学拿到距离数据第一反应就是用 PID，让速度随距离连续变化。但超声波的噪声特性让连续 PID 很容易翻车：HC-SR04 在室内墙面反射、目标衣服吸音、地面多径反射的条件下，单帧读数抖动经常超过 ±2cm，把这个抖动直接送进 PID，PWM 会跟着抖，小车走起来一窜一窜的。

所以我更常用的方式是“分区 + 缓启动”：把距离分成停车区、跟随区、丢失区三个区间，在每个区间里给固定 PWM，区间切换时用斜坡函数让 PWM 渐变而不是突变。这样小车在跟随区里匀速走，目标突然停住时能够快速进入停车区，不会因为 P 项过大而撞上去。等整机跑稳了，再在左右转向差速上叠加 PID，而不是在直行速度上叠加。

跟随距离分区参数表：

2.4 三路同时工作的隐藏成本：供电与触发时序

三路不是简单地把三颗传感器并联到 5V。单颗 HC-SR04 工作电流约 15mA，三颗就是 45mA，而且每次触发瞬间电流会跳变。如果直接用 STM32 板载 LDO 的 5V 给三路供电，测距时 5V 会被拉低，回波幅度下降，读数开始飘。更麻烦的是三颗传感器如果同时触发，声波会互相串扰：中路发出的超声波打在墙上反射回来，可能被左路探头当成自己的回波接收，然后算出一个完全离谱的距离。

所以三路方案在时序上必须分时触发，不能一起测。我一般每轮只触发一路，等这一路 ECHO 完全结束后再触发下一路，三路之间间隔至少 5ms。供电方面，5V 母线上加 100uF 以上电解电容，或者干脆用一个独立的 5V 降压模块给传感器供电，这是让三路读数稳定的第一步。

3. STM32 主控选型与接线：把三路传感器焊上车头之前

3.1 主控和传感器的选型组合

跟随小车的主控最常见的是 STM32F103C8T6 最小系统板，48 脚，Flash 64KB，RAM 20KB，跑这套逻辑绰绰有余。传感器就用 HC-SR04，不是因为性能好，而是因为足够普及、坏了换新成本低。三路 HC-SR04 加上一块 TB6612FNG 驱动、两个直流减速电机、一个 2S 锂电，就是很标准的配置。

这里要提醒一点：HC-SR04 的 ECHO 引脚输出的是 5V 高电平，而 F103 的 GPIO 工作电压是 3.3V。直接接到非 5V 容忍引脚上，轻则读数异常，重则烧引脚。选引脚时先确认该引脚带 FT（5V 容忍）标注，或者用 1k 电阻串联加 2k 电阻对地分压，把 5V 分到约 3.3V。分压方案虽然多两个电阻，但省心。

3.2 引脚分配表与接线顺序

我习惯的引脚分配如下，三路 TRIG 和 ECHO 各占一个 GPIO，电机控制占两路 PWM 和四个方向引脚：

接线顺序我一般按“先逻辑地、后功率地、再信号线”来。先把 STM32 的 GND、电机驱动的 GND、电池负极全部连在一起，再给驱动板上电，最后接超声波的 TRIG 和 ECHO。如果先把信号线全接好再上功率电，驱动板浪涌电流容易把 3.3V 逻辑电平拉乱，甚至让 MCU 复位。

3.3 驱动与供电：TB6612FNG 和双电源共地

驱动芯片我推荐 TB6612FNG，对比 L298N 它的优势是导通压降小、发热低，L298N 在 12V 供电、电流稍大时烫得不敢摸。TB6612 的 VM 接电池正极，VCC 接 3.3V 或 5V 逻辑电源，STBY 引脚必须拉高，否则电机不转。如果手上只有 L298N，接线思路一样，但注意别用 L298N 板载 5V 给主控供电——那个 5V 是线性稳压，电机一转电压就往下掉，MCU 跟着复位是经典翻车现场。

供电结构我一般是这样：

电池正极 → TB6612 VM（电机电源） 电池正极 → 5V 降压模块 → STM32 5V 引脚 + 三路 HC-SR04 VCC 电池负极 → TB6612 GND、降压模块 GND、STM32 GND 全部相连

这里最关键的是“共地不共电源”：逻辑电源和功率电源共地，但 5V 不要从电机驱动板上取，除非你确认那个 5V 的输出电流足够且纹波可控。三颗 HC-SR04 同时触发瞬间需要大约 60mA 左右的脉冲电流，5V 降压模块选输出 1A 以上比较稳妥。

3.4 上电前的静态检查清单

每次组装完新板子，我习惯先做一遍静态检查再上电。第一，万用表量 5V 和 GND 之间有没有短路，这个最致命，短路一上电就烧。第二，量三个 HC-SR04 的 VCC 和 GND 两端电压，确认都在 4.8~5.2V 之间。第三，检查 ECHO 引脚是否都接到了 5V 容忍引脚或分压电阻上，这一步能用放大镜看电路连线确认。第四，电机和传感器分开上电测试，先传感器后电机，如果插上电机电源后传感器读数异常，优先怀疑共地问题而不是传感器坏了。

4. 测距与跟随状态机：三路分时采样和差速转向的源码思路

4.1 用 DWT 实现微秒级延时和超时计时

HC-SR04 的触发脉冲要求 10us 以上，而 HAL_Delay 最小粒度是 1ms，没法直接用。我一般用 Cortex-M3 内核的 DWT 计数器做微秒延时，顺便用它给 ECHO 回波做超时判断，避免程序堵死在等待回波的循环里。

#include "core_cm3.h" static uint8_t dwt_ready = 0; void delay_us(uint32_t us) { if (!dwt_ready) { CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; DWT->CYCCNT = 0; DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; dwt_ready = 1; } uint32_t start = DWT->CYCCNT; uint32_t ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000); while ((DWT->CYCCNT - start) < ticks); }

这段代码在工程里只需要出现一次。DWT 计数器是内核自带的，不占用定时器资源，也不会跟 PWM 输出抢外设。SystemCoreClock 在 F103 上通常是 72MHz，所以 ticks 算出来是 us 数乘以 72，也就是 1us 对应 72 个计数。需要注意 DWT->CYCCNT 是 32 位计数器，在 72MHz 下大约 59 秒回绕一次，对于单次测距几十毫秒的窗口完全够用，不需要处理回绕。

4.2 单路测距函数：轮询 ECHO 并带超时保护

单路测距的代码我封装成函数，传入 TRIG 和 ECHO 的端口及引脚号，返回距离值，失败返回 -1。这样三路共用一套逻辑，后面想扩展到第五路也是复制调用而已。

int32_t measure_cm(GPIO_TypeDef *trig_port, uint16_t trig_pin, GPIO_TypeDef *echo_port, uint16_t echo_pin) { uint32_t t_start, t_end, dt_us; HAL_GPIO_WritePin(trig_port, trig_pin, GPIO_PIN_RESET); delay_us(2); HAL_GPIO_WritePin(trig_port, trig_pin, GPIO_PIN_SET); delay_us(12); // 规范要求 10us 以上，留 2us 余量 HAL_GPIO_WritePin(trig_port, trig_pin, GPIO_PIN_RESET); t_start = DWT->CYCCNT; while (HAL_GPIO_ReadPin(echo_port, echo_pin) == GPIO_PIN_RESET) { if ((DWT->CYCCNT - t_start) > 3000000) return -1; // 约 41ms 超时 } t_start = DWT->CYCCNT; while (HAL_GPIO_ReadPin(echo_port, echo_pin) == GPIO_PIN_SET) { if ((DWT->CYCCNT - t_start) > 3000000) return -1; // 高电平超时保护 } t_end = DWT->CYCCNT; dt_us = (t_end - t_start) / (SystemCoreClock / 1000000); return dt_us * 17 / 1000; // cm = us * 0.034 / 2 ≈ us * 17 / 1000 }

超时时间 3000000 个计数约等于 41ms，对应测量距离约 7 米，室内跟随场景足够。返回 -1 后上层要处理这个非法值，不能直接拿去做差速判断。距离换算用整数运算避免浮点：dt_us 乘以 17 再除以 1000，等价于乘以 0.017，误差在 1mm 量级，对跟随场景完全够用。浮点运算是可以用的，但在多处调用时整数运算更省内核时间。

4.3 三路分时采样：中值滤波对抗单帧毛刺

三路采样不能在同一时刻触发，否则会串扰。我每一轮按左、中、右的顺序，每路之间间隔 2ms，每路内部连续测 3 次取中值。中值滤波比均值滤波更适合超声波，因为噪声是离群值——偶尔出现一个 1cm 或者 200cm 的读数，均值会被拉偏，中值直接忽略它。

#define FILTER_N 3 int32_t buf[FILTER_N]; int32_t median_filter(GPIO_TypeDef *trig_port, uint16_t trig_pin, GPIO_TypeDef *echo_port, uint16_t echo_pin) { for (int i = 0; i < FILTER_N; i++) { buf[i] = measure_cm(trig_port, trig_pin, echo_port, echo_pin); delay_us(2000); // 每路间隔 2ms，降低同频串扰 if (buf[i] < 0) buf[i] = 999; // 超时值放大，让中值逻辑自动丢弃 } for (int i = 1; i < FILTER_N; i++) { int32_t key = buf[i]; int j = i - 1; while (j >= 0 && buf[j] > key) { buf[j + 1] = buf[j]; j--; } buf[j + 1] = key; } return buf[FILTER_N / 2]; }

注意这里把超时值改成 999，而不是直接丢弃。因为一次测距超时可能是目标暂时丢失，但也可能是传感器被遮挡，把 999 放进滤波队列参与排序，中值结果会变成一个很大值，上层逻辑自然把它归入“丢失”分区，比单独写异常分支更省事。中值排序用的插入排序，数组只有 3 个元素，开销可以忽略。

4.4 跟随状态机：停车、直行、差速转向、搜索

有了三路距离，剩下就是状态机。我定义的跟随状态机只有四个状态：停车、直行、左转、右转，丢失时原地旋转搜索。转向不用原地打转，而是用差速——内侧轮降速、外侧轮保持，这样小车走的是弧线，跟人更自然。

typedef enum { STOP_STATE, FORWARD_STATE, TURN_LEFT_STATE, TURN_RIGHT_STATE, SEARCH_STATE } follow_state_t; #define STOP_DIST 20 #define HOLD_DIST 60 #define LOST_DIST 80 #define TURN_DEADZONE 8 #define FORWARD_PWM 60 #define TURN_INNER_PWM 35 #define TURN_OUTER_PWM 85 void set_motor(int left_pwm, int right_pwm) { // 内部实现取决于驱动板：左 PWM 接 PA6，右 PWM 接 PA7 // 方向引脚由正负号决定，这里只做占空比输出 } void follow_loop(void) { int32_t dist_l = median_filter(TRIG_L_PORT, TRIG_L_PIN, ECHO_L_PORT, ECHO_L_PIN); int32_t dist_f = median_filter(TRIG_F_PORT, TRIG_F_PIN, ECHO_F_PORT, ECHO_F_PIN); int32_t dist_r = median_filter(TRIG_R_PORT, TRIG_R_PIN, ECHO_R_PORT, ECHO_R_PIN); int32_t diff = dist_l - dist_r; if (dist_f < STOP_DIST) { set_motor(0, 0); // 太近，先停 } else if (dist_f > LOST_DIST) { set_motor(-TURN_INNER_PWM, TURN_OUTER_PWM); // 原地旋转搜索 } else if (dist_f < HOLD_DIST && diff > TURN_DEADZONE) { set_motor(TURN_INNER_PWM, TURN_OUTER_PWM); // 目标偏左，左弧线 } else if (dist_f < HOLD_DIST && diff < -TURN_DEADZONE) { set_motor(TURN_OUTER_PWM, TURN_INNER_PWM); // 目标偏右，右弧线 } else { set_motor(FORWARD_PWM, FORWARD_PWM); // 正对，直行 } }

这里几个参数值得说清楚。FORWARD_PWM 用 60 而不是 100，是因为直行时左右轮如果有转速差，小车会跑偏，留 40 的余量给转向补偿。转向时内侧轮 35、外侧轮 85，差速 50 足够让小车在室内地砖上画出明显弧线；如果转向太猛，把内侧 PWM 提到 50 减小差速。STOP_DIST 设 20cm 还有一个原因是 HC-SR04 有 2cm 盲区，近距离读数本来就不可靠，与其让状态机在 2cm~5cm 区间反复横跳，不如直接停死。

5. 三路跟随小车最常见的 5 个翻车点和排查清单

5.1 三路回波互相串扰，距离读数忽远忽近

现象：只触发中路，左路的读数会跟着跳，有时候三路同时显示相同的距离值，明显是听到了同一个回波。 原因：传感器间距太近，或者触发间隔太短。中路发出的声波经墙面反射后被左路探头接收，左路 ECHO 误判为自己发出的波的回波。 解决：三轮触发之间至少间隔 2ms，我实际用的是 5ms；测试时把三路传感器之间用薄海绵隔开，减少空气传导串扰。还有一个技巧是每路连续测 3 次时，3 次内部之间间隔拉长到 5ms，不要连续触发。

5.2 电机一转，MCU 就复位，或者超声波读数瞬间乱跳

现象：小车静止时三路距离都正常，一踩油门，LCD 花屏、串口乱码，严重时开发板直接重启。 原因：电机启动瞬间电流可达 1A 以上，如果逻辑电源和功率电源没分开，5V 被瞬间拉低到 3V 以下，单片机欠压复位。共地没做好还会让 ECHO 信号参考点漂移，回波电平判断错乱。 解决：功率级和逻辑级分开供电，电池正极先到 TB6612 VM，再单独用降压模块给 STM32 和传感器供电，GND 全部连在一起。电池容量也要够，2S 锂电至少 1000mAh，电压瞬间跌落时会好很多。

5.3 目标站得很近，小车反而直接撞上去

现象：人站在车前 10cm 左右，小车应该停车，但它却往前顶，或者反复前进后退。 原因：HC-SR04 的近距离盲区在 2cm 左右，5cm 以内读数开始不稳定。三路布局下目标太近时，超声波打在人体上反射角度变大，回波幅度变弱，读数可能突然跳到 100cm 以上，状态机误判为目标丢失，于是加速向前找目标。 解决：STOP_DIST 不要设太激进，20cm 是底线。另外在代码里做一次保护：如果上一帧读数小于 15cm，而当前帧突然变成大于 50cm，先把当前帧标记为无效，用上一帧结果输出，防止单帧跳变导致小车撞人。

5.4 目标转弯时小车左右乱摆，像喝醉了

现象：人站在正前方不动，小车自己左右扭；人一直往前走，小车走 S 形。 原因：超声波读数抖动大，单帧差值超过了 TURN_DEADZONE，状态机在直行和转向之间频繁切换。也有可能是 TURN_DEADZONE 设太小，5cm 的差值在噪声面前没有意义。 解决：先看滤波，确认用的是中值滤波而不是均值；再把 TURN_DEADZONE 从 5cm 提到 8cm，给噪声留出余量。还不行就在状态机里做“多帧确认”：连续 3 帧都是同一个转向判断，才执行转向，其中一帧不一致就维持当前状态。

5.5 ECHO 引脚电平不匹配，传感器换一个烧一个

现象：传感器单独接 Arduino 没问题，接到 STM32 上测几次就读数异常，换个传感器又能用，然后再坏。 原因：HC-SR04 的 ECHO 输出 5V 高电平，STM32 引脚不是所有都 5V 容忍，非容忍引脚被 5V 灌入后 IO 保护二极管导通，长期会损坏引脚。 解决：选引脚时在芯片数据手册里查 FT 标注，或者干脆用电阻分压：ECHO 串 1k 电阻后接 STM32 引脚，引脚对地接 2k 电阻，5V 分压后约 3.3V。这个方案通用且便宜，比电平转换芯片省事，唯一的代价是回波上升沿变缓，但在 40kHz 超声信号下完全不影响测距精度。

6. 进阶：从三路固定探头到舵机扫描与 PID 平滑跟随

三路固定探头能解决“目标在左边还是右边”的问题，但它有个物理边界：左右探头的夹角是固定的，目标一旦跑到小车 45 度角以外，左右路都会失去反射，中路距离又没变，状态机就只能直行，直到目标彻底跟丢。想突破这个边界，常见做法是把三路固定探头换成“单探头 + 舵机扫描”：舵机每 50ms 转到左、中、右三个角度各测一次，相当于用时间换空间。

舵机扫描的代码改造量不大，把 GPIO 触发改成舵机 PWM 转角，然后把角度对应的距离存数组。但要注意舵机转动需要稳定时间，转角后至少等 20ms 再触发测距，否则读数会带上上一角度的残影。我实际测试过，单探头扫描在三路同样的 50ms 周期下，单角度测距周期会拉长到 150ms 左右，跟随响应变慢，所以扫描模式更适合慢速跟随，不适合追着跑。

如果想让跟随更顺滑，可以在转向差速上叠加 PID。先保持分区框架不变，把“目标偏左”的输出从固定差速改成“基础差速 + PID 计算量”，输入是左路减右路的差值。实际调参时先只调 P，从 8 开始试，太小转向跟不上，太大小车点头；然后加一点 D，取值 0.5~1 用来抑制差值突变；I 项在跟随场景一般不用，因为超声波噪声会直接积分放大。调参时务必拿串口把左路、右路、差值、PWM 四个值全部打印出来，对着曲线调，比盲调快得多。

验证方法我一般做三件事：第一是静态标定，把目标物放在 30cm、60cm、100cm 三个位置，看串口读数和卷尺读数偏差，超过 3cm 检查传感器高度和朝向；第二是绕桩测试，在地面摆两个间隔 80cm 的桩，让小车跟随人绕 S 形，记录它是否撞桩或丢目标；第三是连续运行 20 分钟，重点听电机驱动芯片温度，以及观察 STM32 有没有意外复位。最后一件事的教训来自我自己的血泪经验：有次驱动板发热把旁边 5V 降压模块的焊锡都烤软了，小车跑着跑着突然断电复位，查了两天才发现是散热问题。现在我的习惯是，每次给新板子上电之前，先拿起万用表量一遍 5V 和 GND，再摸一遍驱动板温度——这两个动作救回来的板子，比什么玄学优化都多。希望帮到你。

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