基于MSPM0G3507自動行駛小車的設計與制作

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0055-04

【Abstract】This paper uses TI-MSPMoG35O7 as the core to achieve the automatic driving car control system.The device ispowered bya12Vbatery，which issteppeddown to5Vandthen to3.3V.They are used to supply power to the motordrive，sensor module，maincontrolmoduleetc.Theroadinformationisdeterminedbydetectingtheintensityof reflected light throughaphotoelectricsensor.Theangle iscalculatedusing the MPU605O gyroscopealgorithmembedded intheGY-521module.The leftandright wheelmotorsaredriven bythe TB612FNGchip.Signalsareacquired and processed byalgorithms，whichareused toadjustthediferentspeedsoftheleftandrightmotors.Finally，theautomatic driving of thecar isrealized.

【Key words】 automatic driving car；MSPM0G35O7；motor drive；double-loop PID control

0 引言

隨著企業生產技術的不斷提高、自動化技術要求的不斷加深，智能車輛以及在智能車輛基礎上開發出來的產品已經成為自動化物流運輸、柔性化生產制造等領域的關鍵設備。全國及省級電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，可見其研究意義很大。本文以MSPM0G3507為控制核心，ST188光電傳感器完成路線檢測，GY-521模塊進行角度檢測。綜合評判后，通過TB6612FNG芯片驅動控制小車左右輪的運行，最終依據規劃的路徑完成自動行駛小車的控制運行。

1裝置整體設計方案

整體系統分為8個基本模塊，包括主控模塊、電源供電電路模塊、循跡檢測電路模塊、角度檢測電路模塊、按鍵電路模塊、聲光報警電路模塊、電機驅動電路模塊、OLED顯示模塊。系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1整體設計框圖

裝置以MSPM0G3507為控制核心，該芯片是一款高性能、低功耗的微控制器。該芯片基于增強型 Arm Cortex- -M0+32 位內核，工作頻率最高可達 80MHz ；支持寬廣的工作溫度范圍 （-40～125^°C 和電源電壓范圍（1.62～3.6V）；包含2個12位ADC、1個12位DAC、3個高速比較器等豐富的模擬和數字外設；具有4個UART、2個IC、2個SPI以及CAN2.0/FD等增強型通信接口；能滿足多種通信需求，進行數據的精確采集、處理及控制，實現精準的位置控制和運動控制。

循跡檢測電路模塊中的光電傳感器使用LED光源和光電二極管，通過檢測反射光的強度來判斷路面信息。其精度高、抗干擾能力強、適用于復雜的路線檢測。角度檢測電路模塊采用GY-521模塊，其內嵌MPU6050陀螺儀和加速度計，提供三維空間旋轉和線性加速度。通過檢測小車的角速度，并積分計算出角度。其能提供精確的角速度和角度數據，實時性好；響應速度快，適合實時檢測和控制；體積小，易于安裝。

2 理論分析與計算

2.1 路徑跟蹤PID控制

路徑跟蹤PID控制主要用于調整小車的行駛方向，使其能沿著預定路徑行駛。用光電傳感器來檢測小車相對于路徑中心的偏離程度；并計算小車當前位置與路徑中心的偏差，依據偏差通過路徑跟蹤PID控制來計算調整小車轉向的控制信號[1]

式中： u_ha —轉向角度調整控制輸出; e_ha（t） 一小車當前位置與路徑中心的偏差值； K_pha —路徑跟蹤控制比例增益; K_iha —路徑跟蹤控制積分增益；K_dha —路徑跟蹤控制微分增益。

2.2 速度PID控制

速度PID控制主要用于調整小車的行駛速度，使其保持在期望的速度范圍內。采用霍爾傳感器對小車實際車速進行測量，并計算小車期望速度與實際速度的偏差，根據偏差通過速度PID控制來計算小車的加速度或減速度。

式中： u_aa —加速或減速控制輸出; e_sa（t） 一期望速度與實際速度的偏差值； K_psa —速度控制比例增益; K_isa —速度控制積分增益; K_dsa —速度控制微分增益。

2.3 小車運行雙PID控制

小車在自動循跡運行過程中，采用兩種獨立的PID控制來分別調整小車的行駛方向和行駛速度，所謂雙PID控制，是一種增強版的PID控制策略。在實際應用中，需要對兩個PID控制進行協調，進而保證系統的穩定性和性能2。小車運行PID控制系統框圖如圖2所示。

3裝置硬件設計

3.1電源供電電路設計

電源供電電路采用3節18650鋰電池串聯作為電源主供電，并通過LM2596S-5DC/DC電源芯片將電壓降至5V，再通過AMS1117-3.3將5V轉至3.3V[3]，具體原理圖如圖3所示。

3.2 電機驅動電路設計

采用TB6612FNG作為直流減速電機的驅動芯片，其具有大電流MOSFET-H橋結構，雙通道電路輸出，可同時驅動2臺電機。每個通道輸出最高1A的連續驅動電流，啟動峰值電流達2A、3A；四種電機控制模式，正轉、反轉、制動、停止；PWM支持頻率高達 100kHz ；具有驅動電機調速方便、轉動響應時間短等特性。

3.3循跡檢測電路設計

采用8個ST188光電傳感器，依據光電傳感器中的LED發光光源及光電二極管，通過檢測反射光的強度來判斷路面信息，進而實現循跡檢測功能，電路如圖4所示。在光照穩定的環境下，其精度高、抗干擾能力強，適用于復雜的路線檢測[4。

3.4 主控電路設計

采用MSPM0G3507作為主控芯片，其是32位超低功耗的MCU，基于Arm Cortex- ?M0+ 內核，芯片上具有豐富的高性能模擬和智能數字外設，適用于電機控制，具體原理圖如圖5所示。

4小車軟件設計與調試

4.1 控制軟件設計

系統開發外設驅動使用TI公司SysConfig圖形化配置工具配置與生成，芯片程序開發采用KeilMDK集成開發環境。先初始化TIMG、ADC、GPIO及DMA等外設接口，并對光電傳感器進行標定，根據運動模式設定，明確小車運行圈數。然后開始通過光電傳感器循環掃描路徑黑線，計算小車路徑偏差，并控制小車方向。當路徑偏差不大時，正中間兩個光電傳感器夾線，進行全速運行，依據左右輪電機速度采樣分別進行電機速度調整。根據小車光電傳感器同時檢測到終止線進行圈數的計數，當計數值小于設定值時，小車繼續行駛，反復巡線及前行；當計數值等于設定值時，小車停止行駛。小車運行程序流程圖如圖6所示。

4.2 小車調試

按照設計將主控模塊、電源供電電路模塊、循跡檢測電路模塊、角度檢測電路模塊、按鍵電路模塊、聲光報警電路模塊、電機驅動電路模塊、OLED顯示模塊進行硬件電路板繪制、焊接及調試，并將各模塊進行搭建，再編寫小車運行控制程序，最后完成整車測試。搭建完成的小車實物圖如圖7所示。

圖6小車運行程序流程圖

圖7自動行駛小車實物圖

將小車放在位置A點，小車能自動行駛到B點后，沿半弧線行駛到C點，再由C點自動行駛到D點，最后沿半弧線行駛到A點停車。每經過一個點，聲光提示一次。小車運行行駛路線為A點 點（沿半弧線） 點 點（沿半弧線） A 點，如圖8所示。通過秒表計時記錄小車運行一圈所用時間，并重復進行3次測試，記錄結果見表1。

圖8小車行駛路線圖

表1運行一圈測試結果

根據小車測量結果可知：正常運行時車輛始終壓在黑線上，并每經過一個觀察點有聲光提示，整體運行效果與理論計算完全相符。可以根據需求，調整速度變量值后實現不同路徑上的時間控制。

5總結

本方案以MSPM0G3507為控制核心構建自動行駛小車控制系統，包括主控模塊、電源供電電路模塊、循跡檢測電路模塊、角度檢測電路模塊、電機驅動電路模塊等8個基本模塊。該系統采用8個ST188光電傳感器實時采集路線上的黑線，依據路徑跟蹤PID控制實時調整小車轉向角度；通過電機自帶的霍爾傳感器實時采集小車實際車速，通過速度PID控制小車的加減速；具有精度高、抗干擾能力強、控制簡單、響應速度快等優點，能適用于復雜的路線檢測。該方案可擴展應用于企業生產車間內無人化物料配送領域。

參考文獻

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[4]吳凱，劉潔，張晶晶，等.基于STM32的巡線小車系統設計[J].現代信息科技，2022，6（7）：159-162.

[5]高婉婷，電永芳.基于STM32智能小車避障系統的設計[J].物聯網技術，2023，13（2）：131-135.

（編輯楊凱麟）