星空体育官方网站 基于MSP432控制的红外循迹爬坡小车设计报告

基于MSP432控制的红外跟踪爬山车设计报告

竞赛题目：电动汽车坡道行驶（题目C）

概括

这款小车基于TI的MSP432平台，设计为一款四轮小车，可以沿着指定路线在斜坡上行驶。小车采用L298N驱动芯片控制直流减速电机，通过内部程序对小车的四个电机进行PWM调速控制。该系统通过红外传感器测量位置信息，然后依靠左右轮的差动控制来调整汽车的方向。设计的电动汽车可以在0°~30°之间任意指定坡度的木板上沿路线匀速行驶，并根据需要停在停车点。

该系统主要由稳压模块、L298N驱动模块和红外传感器模块组成。经过反复调试和改进，循迹小车系统可靠，行驶稳定，满足指标要求。

关键词：电动汽车； MSP432；追踪;攀登;固定停车位

一、设计任务及要求

(一)设计任务

采用TI的MSP430/MSP432平台，设计并生产了一款四轮电动汽车。要求小车按照指定路线自动跟随并在斜坡上行驶。汽车必须独立运行，不得在车外使用任何设备（包括电源）。汽车重量（含电池）小于1.5kg，投影在地面上的整体尺寸不超过25cm×25cm。坡道采用长宽约1m的细木工板，让木色和天然木纹呈现在木板上。在木板表面铺设1cm×1cm黑白间隔的纸条（以下简称标记线）作为路线指示；标线起始段为直线，平行于棋盘两侧；标线在坡顶转弯90°，转弯半径为20cm；标线距坡顶距离≥30cm，距坡顶距离≤20cm；标线总长1m。停车标志为一条宽1厘米、长5厘米的黑线，垂直于坡顶标志线。

（二）要求

1、当坡度角度θ=0°时，电动车可自动沿标记线行驶并停在停车点；车上标记点与停车标志中心线的垂直距离误差≤2cm。停车时会立即发出声音提示。汽车行驶时，其地面投影不得偏离标志线。

2、在完成（1）的基础上星空体育app官方下载，电动车可以设定行驶时间，自动控制小车匀速通过1米长的线路，并停在停车点。驱动时间可在10s~20s之间设定。误差绝对值≤1s。行驶时不得越过或偏离标线。时间误差每超过1秒扣1分。

3、倾斜角度θ=10°，完成(2)所需动作。

4. 您可以在11°到30°之间任意指定倾斜角度θ，以完成所需的动作（2）。

5. 完成（4）后，尝试增大倾斜角度θ，完成所需动作（2）。

2、方案论证与选择

MSP432P401R开发板是电动车的核心控制。对于汽车的轮胎，我们选择橡胶轮胎，以增加摩擦力，使汽车的爬坡能力更强。它还可以在较陡的斜坡上稳定行驶。针对小车在1cm×1cm黑白纸条上的跟踪问题，我们在小车前部设计了四根红外管，使其能够更有效地沿着黑白纸条行驶，实现直行功能，转弯并停止。使用4针OLED显示汽车行驶的坡度、速度、时间等数据。使用低速编码电机。低速电机更稳定，爬坡能力更强。利用msp432的PWM驱动，采用闭环PID速度算法，编码电机的光电传感器可以时刻将速度反馈给msp432芯片，实现对电机的精确控制。影响。

基于MSP432P401R的红外追踪小车需要以下模块：

(1)MSP432P401R开发板

（2）红外管匹配（跟踪最重要的是看红外管配对，有些硬件缺陷可以用程序来弥补，但至少4路红外管匹配比较稳定）

（3）编码电机（其实通过实验，速度反馈是不需要的，所以普通的直流电机完全够用，但是需要爬坡，所以购买时要注意扭矩和减速比）

（4）12V聚合物锂电池（航空电池分为C型和S型，其实不一定需要12V，L298N即使不是12V也可以驱动）

（5）电机驱动模块（常用的是L298N，但不得不说接线比较难受，用螺丝挤铁片）

（6）降压模块（4015没有数码管，需要用万用表测量。LM2596S有数码管和按钮，显示输入电压和输出电压。4015小，2596大）

(7)蜂鸣器(蜂鸣器的音量问题)

（8）OLED（OLED刷新频率问题）

(9) 按键模块

（10）车架（轮胎要仔细看，质量要好。随车买的轮胎感觉质量不太好）

（11）各类开关（开关用自锁按钮开关会更方便）

建议您配备以下工具和小工具：

（刚需）万用表、杜邦线、各种胶带、多用板（面包板）

（必备）热胶枪、喷嘴钳、镊子、铜柱、示波器、

（不需要也没关系）泡沫（包装）、跳线帽、电容电阻、二极管、三极管……

(1)主控芯片选型

MSP432P401R

建议上网阅读更多有关库函数的信息。您无需太担心引脚。左右两侧的针脚其实就足够了。也可以使用下排。您可以自己焊接双列排针。好的。

（二）数据采集论证及选型方案一：红外管

采用一对4通道红外管将芯片小车的路线状态反馈给芯片，控制小车在轨道上的精准行驶和停车功能，并控制到达停车线时蜂鸣器发声。集成红外探头。可采用集成间歇式光电开关检测器，具有集成度高、工作性能可靠等优点。只需调节探头上的旋钮即可控制探头的灵敏度。这种探头还可以有效防止普通光源（如荧光灯等）的干扰。

关于这个模块，我感觉使用这个模块需要连接很多线，很容易出问题。您可以寻找将红外光连接到处理芯片的模块。

我们设置了四个红外线

1.因为线是1cm*1cm，所以中间的两个可以靠得更近一些。

2、外面的两个能尽量靠前出来，这样转弯时能尽快被检测到然后做出反应。

3、外侧两根和中间两根之间的距离不宜太远。

1）停止线应为5cm*1cm，两外侧距离最好为5~6cm（因为检测有一定范围，所以6cm也可以

2）线条为1cm*1cm，描出的线条是黑白的，所以转弯时存在线条穿过白色块的情况。

选项2：openmv

在汽车前方并联使用两个灰度模块，以防止汽车走出黑白线条组成的道路。然后使用另一个灰度模块来识别黑色块。该灰度模块用于实现转弯控制。

（三）电机演示选型方案一：光电编码电机

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、电感式和电容式。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移转换为脉冲或数字量的传感器。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是一块具有一定直径的圆盘，上面均匀开有若干个矩形孔。由于光电码盘与电机同轴，当电机旋转时，光栅盘与电机同轴旋转，由发光二极管等电子元件组成的检测装置检测并输出多个脉冲信号。通过计算光电编码器每秒输出的脉冲数，可以反映当前电机的转速。此外，为了确定旋转方向，码盘还可以提供两个相位差为90°的脉冲信号。

霍尔编码也是可能的。两者的区别是：

1、检测方式不同：霍尔编码器是电磁检测位置，光电编码器是光电检测位置。

2、精度不同：霍尔编码器一般精度较低，用于粗略的位置反馈，而光电编码器精度较高，可以实现高精度的位置检测。

（对于这个车来说，如果只是实现功能，用直流电机还可以，如果想让转弯更平滑，可以用编码电机，然后进行PID算法。还有其他方法可以实现平滑可以设置红外管更多，更全面）

选项 2：步进电机

步进电机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电机。每输入一个脉冲信号，转子就旋转一个角度或向前移动一步。其输出角位移或线位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。

本来是利用光电编码的速度反馈的好处，可以知道实时速度，掌握和控制小车的位置和状态。不过后来导师建议重点应该放在红外模块上，这样也能掌握和控制。对照，确实是这样，不过我买了光电编码的直流电机。之后，下一步是考虑添加编码反馈，并且有一个使用步进电机的对照组。 （对比后个人感觉说，因为编码器直流电机有减速轮，所以会比步进电机稍微大一点，但是步进电机很重。我放的四个编码器电机比两个步进电机重）电机，因为这样就存在重量控制问题，而且四轮驱动应该比两轮驱动更好，但如果使用从动轮和舵机进行转向，那么步进电机是一个不错的选择。）

我们注意到除了步进电机之外，还有伺服电机，我们将在以后的任务中尝试它们。

(4) 电机驱动演示及选型

采用L298N，是一款接受高电压的电机驱动器，既可以驱动直流电机，也可以驱动步进电机。一个驱动芯片可以控制两个直流减速电机同时执行不同的动作，在6V至46V的电压范围内提供2安培的电流，并具有过热自切和反馈检测功能。 L298N可以直接控制电机。通过主控芯片的I/O输入设定其控制电平，即可驱动电机正反转。操作简单，稳定性好，能满足直流电机的大要求。当前的驾驶条件。

（L298N的连接很容易出现问题，如果出现电机不转的问题星空·综合体育官网入口，除了软件问题外，大概率问题就出在这里）

（五）显示模组演示及选型方案一：OLED

采用OLED，尺寸更小，可视角度好，使用寿命长。

（此OLED有7针和4针。4针和7针的区别）

选项2：电容式触摸液晶屏

电容式触摸屏尺寸较大，可视角度好，可以触摸，但价格昂贵，没有必要。

液晶屏确实香，但是调节起来也很麻烦。我们通过屏幕来帮助我们查看汽车处于哪种模式，例如“平地模式、爬坡模式”。如果可能的话，我们还可以设置坡度。 ，从而调整汽车pwm的输出。

基于以上考虑星空体育官方网站，为了让汽车更加美观，并达到问题所要求的重量，我们采用了OLED。主要原因是确实便宜，20多元，但液晶屏要200多元。

（六）电源论证选型方案一：12V聚合物锂电池

采用12V聚合物锂电池，容量大，电压稳定，占用空间相对较小，重量相对较轻，价格相对较贵。

选项 2：圆柱形充电电池组

使用圆柱形充电电池组，其容量相对较小、电压较低、占用空间较大、较重，但价格较便宜。

基于以上考虑，为了让汽车的电压更加稳定，采用了12V聚合物锂电池。

（7）稳压模块选择方案一：LM2596S

采用开关稳压芯片LM2596和集成固态电容220uf/35V。

输入：DC 4-35V（输入电压必须比输出电压高1.5V以上）

输出：直流2-30V电压连续可调，效率高，最大输出电流3A。

选项 2：XL4015

输入电压8V~36V，可调输出电压1.25V~32V，输入输出压差约0.3（即输入至少高0.3V），最大输出电流5A。

我选择选项1的原因其实是我找到的模块。方案一不需要焊接，有数码管可以显示输入输出电压。

(8) 蜂鸣器选择 选项一：有源蜂鸣器 选项二：无源蜂鸣器

有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的区别在于，无源蜂鸣器可以控制它进行一些频率控制，使其能够发声和调节，而有源蜂鸣器只能发声。事实上，无源蜂鸣器无需调节。问题只要响了。

3、理论分析与计算 (1)供电系统分析：

出现问题：MSP432P401R板在配备红外模块、电机驱动信号、蜂鸣器信号、OLED信号时无法驱动，只能通过USB连接电脑。所以之前就失去了保护

优化方案：使用12V聚合物锂电池为两个电机驱动器（L298N）供电，然后将12V电源分压给降压模块（4015），调节降压模块上的电位器，使降压模块的输出电压为3.3V，然后用降压模块降下来的电压给单片机、4路红外、OLED等供电。经过反复测试，这样的供电系统没有问题。

(2) 电机驱动方式

采用Timer_A上升计数模式，通过配置Timer_A设置周期和配置两个比较寄存器设置占空比**（高电平）**，实现两路PWM信号的输出，左右轮分别驱动，实现差速可控。要驱动两侧的轮子，只需使用 Timer_A 中的两个寄存器即可。

(3)方向控制方法

该车采用差速控制方式进行转弯，即通过设置不同的内外轮速度来改变汽车的运行方向。小车前进过程中，以红外传感器检测到的轨迹变化作为转向条件。根据测量的当前车速，分别调整内轮和外轮的转速。内轮的速度减去当前速度的一定比例，外轮加上当前速度的一定比例&#x