第二章 硬件设计与实现
根据比赛要求和车模的实际情况,智能车系统一般由电源模块、路径识别模块、车速传感器模块、直流电机驱动模块、转向伺服电机驱动模块、通讯及调试模块、单片机模块等组成，其中单片机模块采用了组委会提供的核心S12开发电路板，对于各模块的实现有许多不同的实现方案。
2.1方案的选择与论证
2.1.1路径识别模块
路面信息检测的任务就是在白色路面上检测出黑线相对于车模的相对位置。这种检测主要是对黑白区分,常用的方式有两种:一种是根据黑白反对光射系数的不同,对路面进行光的发射与接收,根据接收到光的强弱来定位黑线的位置；一种是用摄像头把路面信息图像送至单片机进行分析；
方案一:可见光发光二级管与光敏三级管组成的发射-接收器。这种方案的缺点在于外界环境光源会对光敏三管的工作产生很大影响,很可能造成定位错误;即使加大发光管的亮度也很难防止外界光的干扰。
方案二:红外光发光二级管与光敏三级管组成的发射-接收器,将光敏三级管电流变化转变成电压变化信号,然后将电压变化信号送至单片机。采用了红外光管代替可见光管有效的防止了外界光源的干扰,但是经过反复试验我们发现光电管对于小车舵机反映滞后的问题始终不能完美的解决，超前性差是其最大的弊端。
方案三:安装CCD摄像头方式。在车模车头顶部安置摄像头，对车前方大范围的路况进行连续拍摄,将图象信息送至单片机进行图象识别。这种方式可以提前将路况了解得十分完整，做到提前加速或减速，同时可以根据不同的赛道情况执行不同的控制算法。
基于上面的理论分析,拟采用方案三。
2.1.2车速检测模块
方案一:反射式光电开关。在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的光码盘,将由红外光发光二级管与光敏三级管组成的发射-接收器对准光码盘。在车轮转动时，光可间断地反射到三级管上。通过对间隔周期的测量,计算出车速。
方案二: 遮断式光电开关。在电机轴或车轮轴上安装一圆形遮光板, 圆板上开有间隔和大小相同的孔,将红外发光二级管与光敏三级管相对安装,并让圆板挡在中间,轴带动圆片转动时、光可间断的透过孔照射到三级管上,同样通过对间隔周期的测量,计算出车速。方案三:用F-V转换将频率信号转换为电压信号进行测速。
前两种都是比较可行的测速方法,但从稳定上来说,遮断式光电开关三极管上受到的红外光照只存在有和无两种情况,所以性能上远比反射式的稳定。
所以为提高系统的稳定性,拟采用方案二。
2.1.3电机驱动调速模块
方案一:采用继电器对电机的起停进行控制,通过对继电器通断来实现对车速的调整。此方案优点在于电路简单,控制模块没有压降,电机全速运行速度高,缺点是继电器响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、稳定性不高。
方案二:采用用三极管或场效应管自制H桥组成的PWM驱动电路,通过PWM控制使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电机转速。由于管子工作在饱和状态时,导通压降非常大，影响赛车速度;
方案三:采用专用的PWM电机驱动芯片,通过PWM精确调节车速。本方案优点在于电路简单、调速精确。尤其芯片内部集成了如逻辑控制，短路保护、欠压保护、过热保护等等电路，对电机及电池有益，同时具有导通电阻小的优点。
通过对以上几种方案的比较, 拟采用方案三与方案一的结合。
2.2系统的硬件设计与实现
2.2.1路径识别模块的设计与实现
摄像头的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度成一一对应关系的电压值，然后将此电压信号通过视频信号端输出。具体而言（参见图2-1）。摄像头连续地扫描图像上的一行，就输出一段连续的视频信号电压，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，视频信号端就输出一段低于最低视频信号电压的电平（如0.3V），并保持一段时间。
也就是说，紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描的方式）开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着就会出现一段场消隐区。此区中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有一个脉冲远宽于（即持续时间长于）其他的消隐脉冲，该消隐脉冲又称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾部分和下一场的开始部分，得等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描25 幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50 场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。
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图2-1摄像头信号模式 |
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图2-2视频分离结果 |
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图2-3 lm1881引脚连接图 |
