嵌入式硬件篇---超声波｜PID

---

---

前言

在STM32F103RCT6上使用超声波传感器（如HC-SR04）结合PID算法实现稳定距离控制，通常用于避障、跟随或定位等场景。以下是详细实现步骤：

---

1. 硬件准备

主控芯片

主控芯片：STM32F103RCT6（72MHz Cortex-M3，足够处理超声波数据与PID运算）。

超声波模块

超声波模块：HC-SR04（测距范围2cm~400cm，精度±3mm）。

执行机构

执行机构：电机（如直流电机+编码器）或舵机（用于调整方向）。

其他

其他：电源、驱动电路（如L298N）、OLED/LCD（可选，用于显示距离）。

2. 硬件连接

HC-SR04引脚 STM32引脚 说明
VCC 5V 模块供电
Trig PA1 触发信号（输出）
Echo PA0 回波信号（输入，需EXTI中断）
GND GND 共地
注意：Echo信号为5V电平，需通过**电阻分压（如1kΩ+2kΩ）**转换为3.3V，避免损坏STM32。

3. 超声波测距原理

触发信号

触发信号：STM32发送10μs的高电平脉冲到Trig引脚。

回波检测

回波检测：HC-SR04发射超声波并接收回波，Echo引脚输出高电平，
持续时间与距离成正比（公式：距离(cm) = 高电平时间(μs) / 58）。

中断捕获

中断捕获：使用定时器输入捕获模式或EXTI中断+普通定时器测量Echo高电平时间。

4. 代码实现（基于HAL库）

(1) 初始化定时器（用于测量Echo高电平时间）

// 定时器2初始化（1MHz计数频率，72MHz/72分频）
TIM_HandleTypeDef htim2;
void MX_TIM2_Init(void) {htim2.Instance = TIM2;htim2.Init.Prescaler = 71;          // 72分频htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim2.Init.Period = 0xFFFF;         // 最大计数值HAL_TIM_IC_Init(&htim2);
}// 输入捕获配置（通道1，PA0）
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC;
sConfigIC.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; // 上升沿触发
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfigIC.ICFilter = 0;
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);

(2) 超声波触发与距离计算

float Get_Distance(void) {uint32_t start_time = 0, end_time = 0;float distance_cm = 0;// 发送10us触发脉冲HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);delay_us(10);HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);// 等待Echo上升沿（启动定时器）while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);HAL_TIM_IC_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);start_time = htim2.Instance->CCR1;// 等待Echo下降沿（停止定时器）while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET);end_time = htim2.Instance->CCR1;HAL_TIM_IC_Stop(&htim2, TIM_CHANNEL_1);// 计算距离（单位：cm）distance_cm = (end_time - start_time) / 58.0f;return distance_cm;
}

5. PID算法实现

PID控制器通过调节输出使当前距离（反馈值）趋近目标距离（设定值）。

(1) PID结构体定义

typedef struct {float Kp, Ki, Kd;      // PID参数float target;          // 目标距离（cm）float error, last_error, integral;
} PID_Controller;PID_Controller pid = {0.5, 0.01, 0.2, 10.0, 0, 0, 0}; // 示例参数

(2) PID计算函数

float PID_Update(PID_Controller *pid, float current) {pid->error = pid->target - current;  // 误差=目标值-当前值// 积分项（防饱和）pid->integral += pid->error;if (pid->integral > 100) pid->integral = 100;else if (pid->integral < -100) pid->integral = -100;// 微分项float derivative = pid->error - pid->last_error;pid->last_error = pid->error;// PID输出float output = pid->Kp * pid->error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;return output;
}

6. 控制执行机构

根据PID输出调整电机或舵机：

(1) 电机控制（PWM调速）

// 初始化PWM（TIM3通道1，PA6）
void MX_TIM3_Init(void) {TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};htim3.Instance = TIM3;htim3.Init.Prescaler = 71;          // 1MHz频率htim3.Init.Period = 999;             // 1kHz PWMHAL_TIM_PWM_Init(&htim3);sConfigOC.Pulse = 0;                // 初始占空比0sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}// 更新电机速度（PID输出映射到PWM占空比）
void Set_Motor_Speed(float pid_output) {uint16_t pwm = (uint16_t)fabs(pid_output * 10); // 比例缩放if (pwm > 999) pwm = 999;__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwm);// 根据输出正负设置电机方向if (pid_output > 0) {HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);   // 正转} else {HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 反转}
}

(2) 舵机控制（角度调整）

// 设置舵机角度（PID输出映射到0~180°）
void Set_Servo_Angle(float pid_output) {uint16_t angle = 90 + (uint16_t)(pid_output * 10); // 示例映射uint16_t pwm = 500 + angle * 2000 / 180;           // 0.5ms~2.5ms__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwm);
}

7. 主循环逻辑

int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_TIM2_Init();MX_TIM3_Init();float current_distance = 0;float pid_output = 0;while (1) {current_distance = Get_Distance();      // 获取当前距离pid_output = PID_Update(&pid, current_distance);Set_Motor_Speed(pid_output);           // 调整电机速度// 或 Set_Servo_Angle(pid_output);     // 调整舵机角度HAL_Delay(50); // 控制周期50ms（20Hz）}
}

8. PID参数整定技巧

先调P

先调P：增大Kp直到系统快速响应但出现振荡。

再调D

再调D：加入Kd抑制振荡。

最后调I

最后调I：小幅增加Ki消除静态误差。

测试

测试场景：目标距离从远到近阶跃变化，观察响应曲线。

9. 关键问题与优化

超声波噪声

超声波噪声：多次采样取中值滤波。

死区处理

死区处理：当误差小于阈值时关闭PID输出，避免抖动。

动态目标

动态目标：若目标距离变化，需重新整定PID参数。
通过上述步骤，STM32F103RCT6可稳定控制物体与超声波传感器间的距离。实际应用中需根据机械特性（如电机惯性）调整PID参数。

---