（1）调整机械结构，降低车模重心；选择合适材料，减轻车模重量。两轮直立小车是一个高度不稳定的系统，其具有本质不稳定性。根据质心位置是否可变，可分为定质心跟变质心两种。车模直立时，车模重心位于两轮轴线正上方，降低重心有助于保持车体平衡。通过电路板的合理布局，可以降低车模重心。同时，由于车模是两轮驱动直立行走，减轻车模自身重量有助于减轻电机的负载压力，减小惯量，提高车模的灵活性和稳定性。

（2）选择合适的行走姿势。根据对去年成绩较好的比赛队伍的观察，车体前倾有助于提高小车行走速度。车模自身重量大部分来自电源，通过调整电源位置可以改变车模的行走姿势。

（3） 单片机核心控制模块。本次智能车设计采用飞思卡尔公司提供的16 位单片机MC9S12XS128[13]。

（4）传感器选择。本次智能车设计采用的传感器主要有：角度传感器，车体倾角传感器，电机速度传感器和线性CCD传感器。角度传感器用于检测车模的倾角，角度传感器用于检测车模倾倒的角速度，返回数据通过卡尔曼滤波后相互协调，控制车模平衡。速度传感器使用光电编码器，读取脉冲个数转化为车模速度，与给定速度构成闭环系统，实现闭环控制[14]。线性CCD传感器采集横向128个点的灰度值，经单片机处理判断赛道类型，控制两路电机转速，使车模沿赛道中心线行走。源.自/751·论\文'网·www.751com.cn/

（5）人机接口模块。本次智能车设计采用的人机接口模块主要有拨码开关、CH452 按键键盘、数码管和发光二极管等，主要用于显示车模运行状态，方便调试。

2．2  系统总体框架设计

本次设计中，硬件电路主要分为以下8个模块：单片机核心控制模块、电源管理模块、电机驱动模块、角度传感器模块、光电感器模块、速度传感器模块、人机接口模块和无线通信模块[15][16]。硬件系统模块的组成框图如图2.1所示：

图2.1  硬件系统模块的组成框图

其中各模块功能分别如下：

（1）单片机核心控制模块：作为整个系统的控制核心，单片机主要采集角度传感器、角速度传感器、光电编码器、线性CCD传感器返回数值，并对数据进行滤波处理，判断赛道信息、车模自身信息等，通过闭环控制电机转速从而保持车模直立循迹行走。

（2）电源管理模块：将电源电压通过稳压芯片转换为各控制模块所需要的电压，维持整个系统的正常运行。

（3）电机驱动模块：根据单片机输出的PWM波，采用全桥驱动，对车模两个直流电机进行转速控制。

（4）角度传感器模块：角度传感器模块主要包括陀螺仪和加速度计，采集车模运行过程中的角度和倾斜的角速度，通过单片机处理，控制车模直立。

（5）光电传感器模块：本次使用的光电传感器为线性CCD，扫描一行赛道128个点的灰度值，通过单片机处理成赛道信息，控制车模转向。

（6）速度传感器模块：采集编码器输出脉冲，经过单片机转化为小车速度，与给定速度构成闭环控制系统。

（7）人机接口模块：通过数码管可以实时显示各类参数，通过按键可以切换车模运行状态，方便小车调试。

（8）无线通信模块：通过蓝牙将智能车运行状态发送给上位机，并能以波形的形式显示出来，以便于调整程序参数，提高调试效率。