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(yè)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(fā)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(jù)規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)的精確采集、處理及控制，實現(xiàn)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(shù)據(jù)，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(jù)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(jù)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(xié)調，進而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能2。小車運行PID控制系統(tǒng)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(jié)18650鋰電池串聯(lián)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(xù)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(jù)光電傳感器中的LED發(fā)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(xiàn)循跡檢測功能，電路如圖4所示。在光照穩(wěn)定的環(huán)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(shù)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(tǒng)開發(fā)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(fā)采用KeilMDK集成開發(fā)環(huán)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(jù)運動模式設定，明確小車運行圈數(shù)。然后開始通過光電傳感器循環(huán)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(jù)左右輪電機速度采樣分別進行電機速度調整。根據(jù)小車光電傳感器同時檢測到終止線進行圈數(shù)的計數(shù)，當計數(shù)值小于設定值時，小車繼續(xù)行駛，反復巡線及前行；當計數(shù)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(jù)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(jù)需求，調整速度變量值后實現(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)采用8個ST188光電傳感器實時采集路線上的黑線，依據(jù)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(yōu)點，能適用于復雜的路線檢測。該方案可擴展應用于企業(yè)生產車間內無人化物料配送領域。

參考文獻

[1]程家駒，孔凡斌，王穎熙，等.基于串級PID控制的三輪電磁循跡小車[J].電子產品世界，2023，30（11）：52-54.

[2]趙廣平.基于單片機的智能循跡與避障小車的設計[J].造紙裝備及材料.2023，52（3）：13-16.

[3]李金彥.自尋跡智能小車控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].集成電路應用，2022，39（12）：10-13.

[4]吳凱，劉潔，張晶晶，等.基于STM32的巡線小車系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)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(tǒng)的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（2）：131-135.

（編輯楊凱麟）