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摘要：随着汽车无人驾驶技术的商业化进程不断深入，无人出租车的试点项目已经开始实施，汽车辅助驾驶系统也逐步成为日常交通工具的标准配置，汽车的自动行驶功能正在逐渐成为现实。本项目旨在研究一款以LP-MSPM0G3507为核心控制单元，整合电机MG513X、TB6612电机驱动、MPU6050和灰度传感器等模块的自动行驶小车。通过这些高度集成的组件，实现可调控小车自动行驶功能，以满足不同场景的驾驶需求。

关键词：自动行驶，电机驱动，集成

一．绪论

1.1 研究背景与意义

随着科技的快速发展，自动行驶技术已经成为汽车工业的一个重要发展方向。无人出租车的试点和汽车辅助驾驶系统的普及，标志着自动行驶技术正逐步进入商业化发展阶段。自动行驶小车作为该技术的一个重要分支，其研究和开发对于未来智能交通系统具有重要意义。本项目旨在通过集成先进的控制单元和传感器模块，实现小车的可调控自动行驶功能，为智能交通系统的发展提供技术支持和理论基础。

1.2自动行驶技术的概述

自动行驶技术涉及多个领域，包括机器视觉、传感器技术、控制理论等。通过这些技术的综合应用，自动行驶小车能够实现环境感知、传递数据、执行控制等功能。目前，自动行驶技术已经在多个领域得到应用，如无人仓储、智能物流等。本项目将重点研究自动行驶小车的几大关键技术，主要包括控制单元、电机驱动、传感器集成等在提高小车的自动行驶性能方面的应用。

二．相关模块介绍

2.1 核心控制单元LP-MSPM0G3507

自动行驶小车采用的核心控制单元为LP-MSPM0G3507。它是一款高性能的微控制器，采用80MHz Arm Cortex-M0+ 内核，具有丰富的片上模拟外设，能够满足不同规模的程序和数据存储需求，如   图1所示。

2.2 电机模块

小车采用MG513X作为电机模块。该电机模块是一种具备性价比高、减速比适中的直流减速电机。MG513X电机中的霍尔编码器能够实现测速和确定转动方向等功能，适合于驱动自动小车，如图2所示。

2.3 传感器模块

小车采用的传感器模块包括MPU6050陀螺仪和八路灰度传感器。MPU6050能够精确测量小车的角速度和位置，而八路灰度传感器则用于识别轨迹线，为小车的循迹功能提供数据支持， 如图3、4所示。

三．系统方案的论证与选择

3.1 主控芯片的选择

作为本项目的核心控制单元，LP-MSPM0G3507负责处理来自传感器的数据，并输出控制信号以调节电机转速，实现小车的自动行驶。

3.2 寻迹模块的对比

方案一：八路灰度传感器

八路灰度传感器具有多通道检测能力，可以同时检测地面上八个位置的灰度值；并且灵敏度高，可以适应多种循迹要求。以及具有精确度高、稳定性好和响应速度快等特点，能够快速地适应环境变化及精确地跟踪线路，较好地提升循迹性能。

方案二：红外传感器TCRT5000

红外传感器TCRT5000具有耗能低、体积小巧、成本低廉等优势，但容易受环境干扰和检测距离受限制[1]，尤其是在检测范围内出现与被检测物体反射特性相似的其他物体时，可能会引起误判，从而加剧循迹难度。

综合上述两种方案，采用方案一。

3.3 驱动方案

MG513X电机的高性价比和适中的减速比，以及小体积便于安装的优势使其成为小车驱动方案的理想选择。

3.4 电机驱动模块

方案一：L298N

L298N采用双极性晶体管，具有效率相对较低、发热过高等问题，可能需要额外的散热措施，价格较TB6612稍高；故其更适合在的对驱动功率要求较高、对成本不太敏感的场合。

方案二：TB6612

TB6612双驱动模块与L298N相比具有较低的价格；TB6612具有大电流MOSFET-H桥结构，可同时驱动2个电机[2]；并且采用MOSFET管，效率相对较高，发热较小，更适合用于循迹小车的电机驱动板块。

通过比较，此项目设计只需驱动小型直流电机，故采用方案二。

3.5 陀螺仪模块

MPU6050中的陀螺仪具有高动态特性，能精确测量角速度，可用于动态环境下的角度测量；并且MPU6050精密度高，稳定性好，具有高精度的传感器和数据处理电路，可以自动校准和自适应，能够在多种环境下保持精准稳定的运行。

四．理论分析

4.1小车自动行驶误差分析

本项目中自动行驶小车要实现按指定路线行驶的功能。直线行驶是奠定此功能的基础，因此小车控制方案中需要去考虑两个电机间速度差的问题。采用TB6612FNG双路电机驱动输出PWM波来控制电机的速度保持一致，尽最大可能保证小车直线行驶，但在直线行驶过程中，电机存在不可避免的系统误差，这会导致小车直线行驶的过程中逐渐偏离原来的路线。通过MPU6050传感器反馈航向角yaw值来判断小车的偏离误差，再通过PID算法中适合的Kp、Kd参数来调节电机转速，使小车回到正轨继续保持固定角度的直线行驶。

4.2 小车轨迹控制

应项目需求，小车需实现变向转弯的功能，小车在弧线循迹时，遇到弯道并且行驶速度过快时，容易出现偏离路径甚至会冲出路径或小车摆动幅度过大的问题，可通过八路灰度传感器返回误差值，然后将误差值代入PID公式，利用PID算法控制两个电机的速度差解决该问题。

五．电路与程序设计

5.1 电路设计

首先使用12V电源对TB6612电机驱动模块供电，由电机驱动模块给MG513X电机供电；其次经过降压模块，由降压模块对主控MCU进行供电[3]，由控制单元同时给八路灰度循迹模块、LED二极管、蜂鸣器供电，并获取八路灰度循迹模块和霍尔编码器的电平信号，同时对LED二极管和蜂鸣器输出电平信号；最后由电机进行输出，霍尔编码器读取电机数据，将数据发送给控制单元，本项目电路设计框图如图5所示。

5.2程序设计

本项目程序流程如图6所示，包括以下部分：

①系统初始化：初始化MPU6050传感器和电机控制模块，用于获取小车当前的偏航角度（yaw）和驱动小车行驶。

②目标偏航角度设定（target_yaw）：程序中设定了三个不同的目标偏航角度：0度（直线行驶）、38度（对角行驶）和218度（改变行驶方向）。这些目标角度用于指导小车按照预定的路径行驶。

③偏航角度误差获取：通过MPU6050传感器实时获取小车当前的偏航角度，计算目标偏航角度与当前偏航角度之间的误差。

④PID控制：使用PID（比例-积分-微分）控制算法来计算PWM（脉冲宽度调制）信号[4]。PID控制算法根据偏航角度误差来调整电机的PWM信号，以减少误差，使小车朝向目标偏航角度行驶。

⑤电机差速控制：根据PID计算出的PWM信号，控制小车的电机差速，实现转向，电机差速控制使得小车能够实现直线行驶、对角行驶或改变行驶方向[5]。

⑥循迹传感器：使用八路灰度传感器来检测小车路径上的轨迹，传感器接收到的轨迹误差信息被用来辅助PID控制，以实现更精确的路径跟踪。

控制中心：控制中心根据传感器数据和PID控制算法来调整小车的行驶状态，确保小车能够稳定地沿着预定路径行驶。

六．测试方案与测试结果

6.1 测试方案

小车按照地图（如图7所示）不同路径行驶。

准备一辆双驱小车，使用TB6612FNT电机驱动控制MG513X电机，采用MPU6050传感器控制电机速度，进而控制小车实现直线行驶功能和固定角度转向功能，再通过八路灰度传感器使小车的自动行驶拥有巡线功能。使用多个按钮控制小车进入不同工作模式，最后在小车车身安装蜂鸣器与LED灯实现声光提示。如图8所示。

6.2 测试步骤

（1）将小车放置到标志点A，开启小车；小车指示灯闪烁并且蜂鸣器鸣叫，小车进入直线行使模式；从标志点A行使到标志点B，小车指示灯闪烁并且蜂鸣器鸣叫，小车停止，满足要求一时间，如表1所示。

（2）将小车放置在标志点B（标志点D），测试小车到达标志点C（标志点A），测试小车自动循迹模块代码是否正确，并且记录小车行驶时间，如表2 所示。

（3）将小车放置在标志点A（标志点B），小车到达标志点C（标志点D），测试小车对角线行驶时代码是否正确，并且记录小车行驶时间，如表3所示。

（4）将小车放置到标志点A，小车直线行驶到标志点B，再弧线行使到标志点C，直线行驶到标志点D后，弧线行使至起始点标志点A，，满足要求二时间，如表4所示。

（5）将小车放置到标志点A，小车对角线行驶到标志点C，再弧线行使到标志点B，对角线行驶到标志点D后，弧线行使至起始点标志点A，满足要求三时间，如表5所示 。

（6）要求三重复执行四次，最后一圈到标志点A后停止，完成要求四，小车行驶总时间如表6所示。

6.3测试分析

根据设计思路，将小车在相应的地图上，进行测试及数据采集，依据采集的结果分析误差产生的原因，并对相关的参数进行优化调整。

6.4 测试结论

根据上述测试数据可以得出以下结论：

1.本项目采用程序的分块思想，将完整的程序剖析开来，将每一步的程序错误指出并改正，可以使完整的程序能够顺畅、精准、高效、稳定地完成每步的操作。

2.本项目通过对MPU6050做的重要改善，将小车行使前产生的误差消除，给直线行使和对角线行驶的准确性和提供稳定性。

3.经相关测试，通过多次参数调整及程序优化，该自动行驶小车能良好地实现各个功能。

七．总结与展望

本项目通过集成先进的控制单元和传感器模块，成功实现了自动行驶小车的设计和开发。测试结果表明，小车具有良好的自动行驶性能，能够满足智能交通系统的应用需求。

未来，本项目将继续优化小车的控制算法，提高其在复杂环境下的适应能力，并探索自动行驶技术在更多领域的应用。

参考文献：

[1]朱春华.基于红外反射式传感器TCRT5000的循迹小车设计[J].现代电子技术，2018，41（18）：143-146.

[2]孙逸洁，马蕾.具有发电功能的储能小车[J].电子制作，2022，30（07）：26 -29.

[3]刘守丛.大负载智能小车的设计研发[D].山东：中国海洋大学，2016.

[4]宋小春，陈雨.储罐底板自动漏磁检测小车的路径规划与运动控制[J].中国机械工程，2014，25（12）：1634-1638.

[5]杨家树，庄志红，郁春丽.应用OV6620数字摄像头实现小车的智能控制[J].常州工学院学报，2013，26（01）：28-32.