基于 CAN 总线的履带式无人车电控系统设计与实现

1. 履带式无人车系统构成与工作原理分析

1.1 履带式无人车总体结构

履带式无人车整体由机械执行系统、传感采集系统、电控系统及能源系统四大部分构成。机械系统以双侧独立驱动的履带底盘为核心，具备强越障能力和良好地形适应性，左右履带通过电机独立驱动实现差速转向。传感系统主要包括GPS 模块、IMU 惯性单元、超声波和红外距离传感器等，用于实现定位导航和障碍识别。电控系统则作为核心控制中枢，负责接收远程指令、处理传感信息并生成运动控制指令。能源系统通常采用锂电池组供电，辅以电压、电流检测模块实现能量管理。整车结构在满足野外作业稳定性与通过性的同时，保证了系统各模块之间的紧凑集成与电磁兼容。

1.2 无人车电控系统功能需求分析

电控系统是履带式无人车的信息处理核心，其功能需求包括信息采集、逻辑处理、通信协调、状态反馈和运动控制五个方面。首先，电控系统需采集传感器数据，包括姿态、位置、障碍物距离、电压电流等，实现对外界环境与自身状态的全面感知。其次，需要具备任务逻辑处理能力，根据预设程序或远程指令生成具体动作策略。第三，通过CAN 总线完成对各控制模块如电机驱动、转向控制器、照明系统等的通信管理，实现稳定数据交互。第四，电控系统需实时反馈自身运行状态及关键参数供上位机或远程终端使用。最后，系统必须精确完成差速转向、加减速、急停等运动控制，保障无人车在复杂地形下的稳定运行。

1.3 电控系统的关键模块与通信结构

履带式无人车的电控系统由主控单元、CAN 通信模块、驱动控制模块、状态检测模块和远程通信模块组成。主控单元通常选用 ARM 架构的嵌入式处理器或STM32 系列MCU，负责全局逻辑控制与任务调度。CAN 通信模块嵌入主控系统，通过CAN 控制器与物理收发器实现各个子模块间的数据互通。电机驱动模块接收主控发出的速度与转向指令，并执行对履带电机的精确控制；状态检测模块实时采集电压、电流、温度等状态数据并上传主控。各模块通过CAN 总线组成星型或混合拓扑结构，通信方式采用主从通信机制，保证数据帧不冲突、响应及时。整体通信架构具备实时性强、抗干扰能力强、便于扩展等优势。

2. 电控系统软硬件架构设计

2.1 电控系统整体架构设计

电控系统整体架构由主控核心模块、功能执行模块、通信模块、电源模块和接口扩展模块组成，形成一体化嵌入式控制系统。主控模块采用高性能 MCU 为核心，负责任务分配、数据处理及通信调度；功能执行模块包括履带电机驱动控制、姿态保持、照明与声光报警控制等单元，通过 PWM、GPIO 等接口实现具体控制输出。通信模块集中于 CAN 收发接口，进行各功能板卡间数据同步。电源模块提供主控系统5V 稳压电源，支持电压、电流监控及过载保护。接口扩展部分采用I2C 和UART 作为冗余通道，用于临时调试和后期扩展。架构支持模块化部署，每一功能单元具备独立供电与故障隔离能力，增强系统鲁棒性与可维护性。

2.2 主控单元设计与MCU 选型

主控单元以 STM32F407ZGT6 为核心，具备高达 168MHz 主频、1MBFlash 和 192KB SRAM，适用于中等复杂度的嵌入式多任务处理。该芯片内置双通道CAN 控制器、12 位ADC、DMA 控制器和丰富的定时器资源，满足无人车对实时控制、数据采集和通信能力的高要求。外围设计包括晶振电路（8MHz 外部晶体）、多路模拟信号调理与保护电路、JTAG 调试接口和掉电复位模块。PCB 布板上，MCU 区域与高电流驱动区进行物理隔离，并配置完整接地层以降低噪声干扰。MCU 工作电压为 3.3V，由高效 LDO稳压模块供电。系统采用 FreeRTOS 进行实时任务调度，主控程序烧录采用ST-Link 调试器，支持在线升级与故障日志读取。

2.3 电机驱动模块设计与调速控制逻辑

履带驱动模块选用两组高功率H 桥驱动芯片（如L298N 或TB6612FNG）控制直流减速电机，实现正反转与 PWM 调速。MCU 通过 GPIO 控制方向引脚，通过TIM 定时器输出PWM 信号实现占空比调节，从而实现履带线速度控制。系统结合 PID 算法实时调整 PWM 输出，根据编码器反馈数据修正误差，提高调速精度。左右履带差速控制逻辑根据目标转向角度动态调整左右 PWM 占空比差值，实现精确转向与原地旋转。模块设有电流检测电路与过热保护机制，当电流超过设定阈值或驱动芯片过热，系统自动限制输出并上传故障信息至主控。各驱动板块通过CAN 节点注册，在系统初始化阶段完成通信绑定。

3. 系统功能模块的软件实现

3.1 主控软件系统架构与任务划分

主控软件基于FreeRTOS 嵌入式操作系统，采用多任务并行调度架构。任务划分包括传感数据采集任务、电机控制任务、CAN 通信任务、系统监控任务和上位机交互任务。每个任务由独立线程驱动，并分配固定优先级与堆栈空间。系统启动后，内核初始化硬件资源与任务调度器，随后各任务在各自周期内运行。CAN 通信任务运行于高优先级，确保关键控制帧不延时；控制任务与采集任务周期设定在 20ms 以内，以保证响应时效性；系统监控任务定期检查CPU 负载、堆栈使用情况和任务运行状态，并生成日志信息供调试与维护。各任务间采用消息队列和信号量进行同步通信，有效避免竞争冲突和死锁现象。

3.2 数据采集与传感器信息处理

传感器采集模块支持对超声波、红外测距、IMU、GPS 及电源模块的周期性数据读取。STM32 通过 ADC 接口采集模拟量，通过 UART/I2C 读取数字传感器数据。每类传感器设独立驱动程序，统一数据接口向上层传送结构化数据包。数据处理部分包括滤波、异常值剔除与融合处理：IMU数据结合互补滤波算法输出稳定姿态角；超声波与红外距离数据经滑动平均去除误差；GPS 信号处理采用串口解析NMEA 协议格式并转化为可用坐标信息。所有传感器数据通过结构体封装后上传至状态总线，由控制逻辑模块进行调用与决策。系统具备传感器异常自动识别机制，在信号中断或偏差过大时标记无效并报警。

3.3 控制命令解析与执行流程

主控系统通过 CAN 总线或串口接收来自上位机或远程控制终端的运动控制指令，指令内容包括目标速度、转向角、运行模式等信息。命令解析模块首先进行帧格式和ID 合法性验证，接着将指令字段映射至系统控制变量，如左右轮速度、前进/后退状态等。执行流程采用状态机模型管理当前运行模式，根据控制参数选择相应策略。速度指令转换为 PWM 占空比后，调用 PID 控制算法实时调整左右履带电机输出，确保行进平稳；方向控制依据目标转角调整左右轮差速比，执行转向操作。系统支持急停与状态恢复功能，一旦检测到故障帧或命令异常，立即切入安全模式并暂停所有运动。控制完成后，反馈帧通过CAN 发送当前状态、执行结果与传感器摘要信息至控制终端。

结束语

本文针对履带式无人车在复杂地形作业环境中的电控系统需求，基于CAN 总线通信协议，构建了一套软硬件一体化的控制系统框架。通过对系统架构的合理划分、主控单元的科学选型、驱动模块与通信协议的具体实现，确保了系统具备良好的实时性、稳定性与抗干扰能力。在实车平台测试中，系统能够稳定完成路径控制、状态采集与异常响应，满足预定功能需求。

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