2025-K题国一-自动避障小车

嵌入闪电⚡ 团队

湖南汽车工程职业大学

2025年9月

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获奖情况：2025年全国大学生电子设计竞赛国家一等奖（K题）

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一、团队介绍

我们是 嵌入闪电⚡ 团队，来自湖南汽车工程职业大学。本设计方案在2025年全国大学生电子设计竞赛中荣获国家一等奖。

团队成员

姓名	专业	职责分工
JamieK	汽车智能	控制
RuQiu	物联网	视觉
shuilang	汽车维修	硬件

二、题目要求

本次竞赛的任务是设计并制作一辆能够自主避障的智能小车。小车需在如图1所示的、尺寸为2m×2m的方形场地内运行。场地四周设有边墙，内部固定有4个白色和5个黑色圆柱作为障碍物。小车从指定的入口A驶入，根据各项任务的具体要求，自主规划路径以避开所有圆柱，并最终从出口C驶出。

场地布局

图1-1 自动避障小车测试场地示意图

通用规则

• 小车在行驶过程中不得触碰任何圆柱障碍物
• 小车可以接触但不能翻越场地边墙
• 小车上仅设置一个"启动按键"，用于一键启动各项任务
• 小车尺寸在任何状态下均需满足：长≤35cm、宽≤25cm、高≤35cm
• 所有传感器及控制电路必须全部集成在小车上，测试过程中不得与外部进行任何形式的通信

2.1 基本要求

在图1所示的固定圆柱布局下，小车从准备区出发，完成以下任务：

任务（1）：快速穿越

• 目标：一键启动后，小车从入口A进入，自主选择任意路径，并在10秒内车身完全从出口C驶出
• 评分标准：完成时间越短得分越高

任务（2）：蛇形绕障

• 目标：一键启动后，小车从入口A进入，以左右变向的蛇形轨迹（轨迹示意：S 或 Z）依次绕过第二行的所有圆柱，并在10秒内车身完全从出口C驶出
• 路径要求：必须按照蛇形轨迹绕过指定圆柱

任务（3）：绕圈行驶

• 目标：一键启动后，小车从入口A进入，自主选择任意两个颜色不同的圆柱，并分别环绕其行驶一圈（方向不限），随后在总计10秒内车身完全从出口C驶出
• 约束条件：必须选择两个不同颜色的圆柱

2.2 发挥部分

在完成基本要求的基础上，小车在每次穿越过程中还需满足以下附加约束：

> 约束条件：
> - 不得从两个黑色圆柱之间穿过
> - 沿场地边墙墙角转弯的次数不超过1次

任务（1）：动态路径规划

• 场景：在图1布局的基础上，按裁判指令将第1行第3列的黑色圆柱与场上任意一个白色圆柱互换位置
• 要求：小车从准备区一键启动，自主规划并执行最优路径，从A口进入，C口驶出
• 评分标准：完成用时越少越好

任务（2）：未知环境探测与路径规划

• 场景：裁判按指令随机排列场地内的圆柱
• 探测阶段：小车在准备区一键启动后，有30秒的时间在准备区内对场地进行探测，以识别所有圆柱的位置
• 执行阶段：完成探测后，小车需穿过出发线进入A口，并在10秒内自主规划路径，车身完全从C口驶出

任务（3）：其他

• 创新功能：展示系统在基础和发挥部分之外的其他创新性功能或性能优化

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三、设计摘要

本系统以 TI MSPM0G3507 微控制器为核心，打造了一辆融合视觉与惯性导航的自主避障小车。主控负责运动与任务调度，视觉协处理器则专心做图像识别，并通过 UART 实时汇报障碍物和路径信息。IMU 与编码器深度结合，保证了里程和姿态的高精度。

控制层次清晰：底层 PID 管速度，中间层管走直线和转弯，顶层用有限状态机统筹任务。结合角度误差校正与累积补偿，小车能稳健完成直行、转弯甚至圆弧运动。

系统在裸机环境下运行，靠定时器中断实现多任务调度，响应迅速且稳定。经过测试，小车在比赛任务中表现可靠，性能全面超标，展示出很强的鲁棒性和工程价值。

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四、题目分析

4.1 基础部分任务分析

基础部分主要通过实现以下核心函数来完成各项任务（代码已开源这里只写了部分核心函数仅供参考）：

1. car_move_cm() - 直线行驶控制

bool car_move_cm(float mileage, CAR_STATES move_state);

功能：控制小车直线行驶指定里程。

参数：

• mileage：目标里程（厘米）
• move_state：行驶状态（直行/其他）

实现逻辑：

1. 设置目标里程并进入相应状态
2. 根据编码器累计里程判断是否达到目标
3. 达到目标后停止并复位

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2. spin_turn() - 原地旋转控制

bool spin_turn(float angle);

功能：控制小车原地旋转到目标角度。

参数：

• angle：目标角度（度）

实现逻辑：

• 有IMU：计算当前角度误差，用PID收敛
• 无IMU：基于码盘计算轮子弧长，判断转向是否完成

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3. car_circle() & update_circle_control() - 绕圈控制

bool car_circle(float radius_cm, bool clockwise, float target_angle_deg);
void update_circle_control(void);

功能：实现绕圈控制，支持指定半径和方向。

参数：

• radius_cm：绕圈半径（厘米）
• clockwise：顺/逆时针方向
• target_angle_deg：绕行角度（度）

实现逻辑：

• 根据IMU累计角度判断是否完成绕圈
• 动态计算内外轮速度差，实现差速转弯

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4. car_reset() - 系统重置

void car_reset(void);

功能：重置小车所有状态参数。

重置内容：

• 清零电机速度、编码器里程、PID控制器
• 停止PWM输出
• 清空绕圈相关状态

4.2 发挥一任务分析

在"发挥一"任务中，我们需要应对第一行第三列黑色柱子的位置变更。由于换上去的柱子必定是白色，这为我们提供了明确的识别突破口。与其每一步都进行复杂的识别，我们采用预设路径规划的策略，沿着固定的最优路径来解决此任务。

图4-1 发挥一唯一通用路径图

策略优势：

• 避免复杂的实时识别算法
• 路径预规划，执行效率高
• 鲁棒性强，不易受环境干扰

4.3 发挥二任务分析

在“发挥二”任务中，我们重点识别圈出的四根柱子：

• 若其中有一根是白色，则可利用题目中的一次直角弯直接从中间穿过，此时 4 个边角共有 4 条可行路径。

• 若四根柱子全部为黑色，根据题意，我们仅需再识别两根柱子，这两根柱子必然为以下三种情况之一：

  1. A 黑、B 白
  2. A 白、B 白
  3. A 白、B 黑
     在这三种情形下，可以重新规划路径，或对之前的 4 条路径稍作调整，即可顺利通过。

图4-2 发挥二任务中的四根关键柱子示意图

技术要点：

• 计算机视觉：圆柱识别与定位算法
• 路径规划：固定的4条路径
• 通信协议：主控与视觉模块的高效数据传输
• 实时性：30秒探测 + 10秒执行的时间约束

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五、硬件总体设计框图

图5-1 硬件总体设计框图

硬件系统采用分层设计架构，主要包含以下模块：

5.1 硬件层

• 主控模块：TI MSPM0G3507 微控制器
• 传感器模块：编码器、IMU姿态传感器
• 执行模块：电机驱动
• 视觉模块：Sipeed MaixCAM AI开发板

5.2 驱动层

• 电机驱动：PWM信号生成与控制
• 传感器驱动：编码器计数、IMU数据采集
• 通信驱动：UART串口通信协议

5.3 控制层

• 运动控制：PID速度控制、位置控制
• 路径跟踪：直线控制、转向控制、圆弧控制
• 状态机管理：任务调度与状态转换

5.4 应用层

• 任务执行：基本任务与发挥任务实现
• 路径规划：静态与动态路径规划算法
• 人机交互：按键输入、状态显示

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六、硬件电路设计

6.1 电源电路设计

系统电源设计采用多级保护与稳压方案，确保各模块稳定可靠供电：

输入保护模块

• 核心器件：TI TPS25921ADR 电子保险丝（eFuse）芯片
• 保护功能：
  • 高精度过压/欠压保护
  • 可编程限流功能
  • 故障状态指示
  • 有效防止后端电路因电源异常而损坏

电压变换模块

采用两级稳压架构实现高效电源管理：

级别	器件型号	输入电压	输出电压	负载模块	特点
第一级	TPS54302	12V	5V	电机驱动等大功率模块	开关降压，高效率
第二级	A1117-3.3	5V	3.3V	微控制器及数字电路	线性稳压，低噪声

图6-1 电源电路设计原理图

6.2 核心外设电路设计

人机交互模块

• 按键输入电路：

  • 采用外部上拉电阻确保高电平稳定
  • 软件去抖算法保证按键识别准确性

• 状态指示电路：

  • 三极管驱动电路控制蜂鸣器声音提示
  • 74HC595 移位寄存器扩展I/O端口
  • 提升系统操作便利性和状态可视化能力

图6-2 核心外设电路设计

6.3 模块接口与选型

为增强系统扩展性与兼容性，设计中预留了循迹传感器接口。各核心模块选型如下：

核心模块选型表

模块类别	选型型号	主要特性	接口类型	购买链接	单价 (￥)
电机驱动	TB6612FNG * 2	双路 H 桥驱动，1.2A 连续电流	PWM + GPIO	点我购买	13
显示模块	1.3 寸 OLED	128×64 分辨率，低功耗	IIC/SPI	点我购买	10.8
视觉处理	Sipeed MaixCAM	AI 加速，图像识别	UART	点我购买	338.9
姿态传感器	正点原子 LSM6DSV	六轴 IMU，高精度	IIC	点我购买	45
TI 开发板	MSPM0G3507	低功耗 + 模拟测量能力，适合感知与测量	无	点我购买	215
航模电池	狮子锂电池 3S	带负载能力强	XT60	点我购买	148
底盘套件包	MG310 直流减速电机 mini 智能小车	力气大、速度稳，自带霍尔编码器	6P	点我购买	120

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总价统计

合计	￥903.7

图6-3 TB6612FNG电机驱动板模块
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图6-4 可爱橙1.3寸OLED显示屏模块
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图6-5 MaixCAM RISC-V开发板
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图6-6 MS6DSV姿态解算模块
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图6-7 MSPM0G3507开发板
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图6-8 狮子航模锂电池3S
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图6-9 MG310直流减速电机mini智能小车
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七、程序设计与流程

7.1 软件架构设计

系统软件采用模块化分层架构，在裸机环境下运行，通过定时器中断实现多任务调度：

层次	功能模块
应用层	任务调度、状态机、路径规划
控制层	PID控制、运动控制、传感融合
驱动层	PWM驱动、UART通信、编码器读取
硬件层	MSPM0G3507、外设模块、传感器

7.2 主程序流程

系统主程序流程设计如下：

图7-1 系统主程序流程图

7.3 核心算法实现

7.3.1 PID控制算法

系统采用位置式PID控制器，实现对速度和角度的精确控制：

typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;          // PID参数
    float target;              // 目标值
    float error, last_error;   // 误差值
    float integral;            // 积分项
    float output;              // 输出值
} PID_Controller_t;

float PID_Calculate(PID_Controller_t *pid, float current_value) {
    pid->error = pid->target - current_value;
    pid->integral += pid->error;
    
    // 积分限幅
    if (pid->integral > PID_INTEGRAL_MAX) 
        pid->integral = PID_INTEGRAL_MAX;
    else if (pid->integral integral = -PID_INTEGRAL_MAX;
    
    // PID输出计算
    pid->output = pid->Kp * pid->error + 
                  pid->Ki * pid->integral + 
                  pid->Kd * (pid->error - pid->last_error);
    
    pid->last_error = pid->error;
    return pid->output;
}

7.3.2 状态机设计

采用有限状态机（FSM）管理系统运行状态：

typedef enum {
    CAR_STATE_IDLE,        // 待机状态
    CAR_STATE_STRAIGHT,    // 直线行驶
    CAR_STATE_TURN,        // 转向状态  
    CAR_STATE_CIRCLE,      // 绕圈状态
    CAR_STATE_TRACK,       // 循迹状态
    CAR_STATE_STOP         // 停止状态
} CAR_STATES;

void Car_State_Machine(void) {
    switch(car_state) {
        case CAR_STATE_STRAIGHT:
            update_straight_control();
            break;
        case CAR_STATE_TURN:
            update_turn_control(); 
            break;
        case CAR_STATE_CIRCLE:
            update_circle_control();
            break;
        // ... 其他状态处理
    }
}

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八、实物展示

图8-1 小车整体外观展示1

图8-2 小车整体外观展示2

图8-3 小车侧面结构展示

8.1 机械结构特点

• 紧凑设计：整车尺寸严格控制在规定范围内（长≤35cm、宽≤25cm、高≤35cm）
• 模块化布局：主控板、电源模块、传感器模块合理分布，便于调试和维护
• 稳定底盘：2轮驱动设计，确保运行稳定性和转向精度

8.2 电路板设计

• 多层PCB设计：采用2层PCB工艺
• 接口丰富：预留多种扩展接口，便于功能扩展

8.3 系统集成度

整套系统高度集成化，所有传感器、控制电路、执行模块均集成在小车平台上，实现了完全自主的避障导航功能。

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九、测试数据

测试项目	要求时限	实际用时(s)	是否触碰圆柱	是否触碰边墙	特殊要求完成情况	成功/失败	得分
基本(1) 任选路径	10s	6.41s	□是 ✅否	□是 ✅否	车身完全驶出 ✅是 □否	✅成功	/10
基本(2) 蛇行绕行	10s	8.13s	□是 ✅否	□是 ✅否	左右变向 ✅是 □否	✅成功	/15
基本(3) 绕圆柱转圈	10s	8.42s	□是 ✅否	□是 ✅否	绕2个不同色各1圈 ✅是 □否	✅成功	/25
发挥(1) 互换圆柱	20s	6.6s	□是 ✅否	□是 ✅否	不穿黑柱间 ✅是 □否 墙角转弯≤1次 ✅是 □否	✅成功	/20
发挥(2) 随机排列	探测30s 穿越10s	探测: 1.1s 穿越: 8.4s	□是 ✅否	□是 ✅否	不穿黑柱间 ✅是 □否 墙角转弯≤1次 ✅是 □否	✅成功	/25

总分：90/90

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十、演示视频

10.1 视频内容

系统运行的完整演示视频展示了以下内容：

基本任务演示

• 快速穿越任务：展示小车从A口到C口的最快路径规划与执行
• 蛇形绕障任务：演示S形或Z形轨迹绕过第二行圆柱的精确控制
• 绕圈行驶任务：展示小车环绕不同颜色圆柱的差速转弯控制

发挥任务演示

• 动态路径规划：演示位置变更后的自适应路径规划能力
• 环境探测与规划：展示30秒探测阶段和10秒执行阶段的完整过程

10.3 观看方式

1. 📹 25年电赛K题基础加发挥代码开源
2. 📂 附件视频（见随文附件）

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十一、编译与烧录说明

11.1 主控模块 (TI MSPM0G3507)

(1) 环境搭建

1. 安装 Keil MDK-ARM，使用内置 Arm Compiler 6 (ArmClang)。

2. 安装 MSPM0G3507 设备支持包 (DFP)：

   • 打开 Keil → Project -> Manage -> Pack Installer... → 搜索 MSPM0G → 安装 TexasInstruments.MSPM0G_DFP。
   • 也可以点击下载MSPM0G_DFP包

3. 安装 TI 官方 SDK 与 SysConfig：

   • SDK：包含驱动库、示例代码和文档，安装到 C:\ti\mspm0_sdk\...。
   • SysConfig：图形化配置工具，生成 ti_msp_dl_config.c/h 初始化文件。

(2) Keil 集成 SysConfig

1. 检查 SDK 路径下 tools\keil\MSPM0_SDK_syscfg_menu_import.cfg 与 syscfg.bat 中的路径是否正确。

2. 在 Keil 中：

   • 打开示例工程 (...\examples\...\keil\xxx.uvprojx)。
   • Tools -> Customize Tools Menu -> Import... → 选择上面的 .cfg 文件。
   • 导入后，Tools 菜单会出现 SysConfig 选项。

(3) 编译、烧录与调试

1. SysConfig 配置：

   • 双击 .syscfg 文件 → Tools -> SysConfig 打开界面 → 配置外设/引脚 → 保存生成配置代码。

2. 编译：点击 Rebuild/Build (F7)，确保无报错。

3. 烧录：

   • USB 连接开发板（板载 XDS110 或 CMSIS-DAP 调试器）。
   • Project -> Options for Target... → Debug 选项卡选择调试器 → Utilities 选项卡勾选 "Use Target Driver for Flash Programming"。
   • 点击 Download (F8) 烧录固件。

4. 调试：点击 Start/Stop Debug Session (Ctrl+F5) 进入调试模式，可运行、断点、单步执行并观察变量寄存器。

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11.2 视觉模块 (Sipeed MaixCAM)

基于 MicroPython，使用 MaixVision 进行开发。

烧录步骤：

1. USB Type-C 连接 MaixCAM 到电脑。
2. 打开 MaixVision，选择正确串口并点击 连接。
3. 打开视觉处理 .py 源码。
4. 点击 “保存到开发板 (main.py)”，脚本将写入板载存储。
5. 上电后开发板会自动运行 main.py。

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十二、附件内容

本设计方案的完整技术资料已整理并提供，便于技术交流与学习：

12.1 技术文档

• 📋 附件一：系统硬件设计
  • 完整硬件原理图（PDF格式）
  • PCB工程文件（嘉立创PRO格式）
  • 器件清单（BOM表）
  • PCB Layout设计文件

12.2 软件源码

• 💻 附件二：完整源代码工程
  • 主控MCU源码工程（基于TI MSPM0G3507）
  • 视觉模块源码（基于Sipeed MaixCAM）
  • 编译配置文件
  • 调试脚本与工具

12.3技术支持

如需获取更多技术细节或有疑问，欢迎联系：

• 团队邮箱：3350633136@qq.com
• 开源仓库：JamieK32 (JamieK)

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感谢您的阅读与关注！

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嵌入闪电⚡ 团队

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本报告遵循开源共享原则，欢迎技术交流与合作