为了使小车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能地高速前进，汽车必须具备一套集导引线检测并实时控制汽车速度、姿态的智能处理单元。设计者应首先考虑设计的主控电路，检测电路和控制算法。由于单片机及控制电路部分已经确定，所以本章将重点讨论探测电路的方案设计。
2.1 系统设计要求
小车按照黑线寻迹，比赛最终成绩由时间成绩、报告分数和冲出跑道次数三者决定，具体计算由下面公式给出：比赛最终成绩（秒）＝Ts*（1－0.01R）*（1+0.05N）式中Ts为赛车最快单圈时间（秒）；R为技术报告评分（分值范围0－10）；N 为赛车在最快单圈比赛过程中冲出跑道的次数，且N不大于3。
电路及控制驱动电路的限制：
（1）采用限定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为唯一控制处理器；
（2）伺服电机数量不超过3个；
（3）传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元共计为1个 传感器，CCD传感器计为1个传感器）；
（4）直流电源采用大赛统一提供的电池，不得使用DC－DC升压电路为驱动电机和舵机提供动力；
（5）全部电容容量不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。
赛道基本参数（不包括弯点数目、位置以及整体布局）：
（1）赛道路面用纸制作，跑道面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度不小于600mm；
（2）跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
（3）跑道最小曲率半径不小于500mm；
（4）跑道可以交叉，交叉角为90度；
（5）赛道为二维水平面；
（6）赛道有一个长为1000mm的出发区，计时起点两边分别有一个长度100mm 黑色计时起始线，赛车的前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束的时刻。
2.2 硬件系统基本方案论证
2.2.1探测电路总体方案
★方案一：采用红外传感器
优点：结构简明，实现方便，成本低廉，反应灵敏，便于近距离路面情况的 检测，抗干扰能力强，不会因为周围环境的差别而产生不同的结果。
缺点：只能对路面情况做简单的黑白判别，检测距离和精度有限，传感器高 度位置的差异可能会对其检测造成干扰。另外，由于车模的总长不得大于40CM，所以前瞻距离受到很大的限制。
★方案二：采用摄像头
优点：作用距离远，不易出现由于黑线检测不及时而冲出赛道的情况，摄像 头对道路的检测精细，视角范围大不易出现黑线漏检的情况。
缺点：容易被干扰，受周围光线的影响大；数据量大，处理复杂，需要占有MCU的大量资源。
★方案三：采用红外传感器与摄像头相结合
优点：它兼顾了红外传感器抗干扰能力强，处理简单以及摄像头作用距离远、视角范围大的优点。
缺点：设计难度大，红外传感器和摄像头需要配合寻迹，它们对舵机和电机在方向和速度上的控制需要巧妙的算法进行分配，运算量也较大，需要占有很多的MCU资源。
由于第一种方案存在物理性能的限制，所以综合考虑后采用第二种或者三种方案。经仔细推敲，本设计采用摄像头为主要探测电路指挥小车运动，用红外传感器检测起跑线，进而指挥小车在第二圈采用其他的算法或参数进行运动。
2.2.2 传感器检测模块
传感器可以分为：可见光传感器、红外传感器、紫外线传感器等。
★ 方案一：可见光传感器是基于可见光源的传感器，它结构简单、设计成熟，但是它工作在可见光波段，容易被外界干扰。
★ 方案二：红外光传感器。红外线是波长为830nm～950nm的电磁波，自然环境物理在该波段的辐射量是很微弱的，所以红外反射式传感器受外界干扰较小，可靠性高。设计技术成熟，应用广泛。
★ 方案三：紫外线传感器。在自然环境下该类传感器很难受干扰，可靠性高，但是它价格昂贵。所以我们最终选择方案二，即红外光传感器作为传感器检测模块的基本器件。
2.2.3 摄像头模块
市场上的摄像头常分为CCD摄像头和CMOS摄像头。
★方案一：采用CCD摄像头
优点：成像质量高。
缺点：12V供电，功耗相对较大，价格较高。
★方案二：采用CMOS摄像头
优点：9V供电，功耗较小，价格较低。
缺点：成像质量不及CCD摄像头。
综合供电，成像效果、稳定性等方面的因素，采用了方案二，即CMOS摄像头。
2.2.4 速度传感器模块
★方案一：采用霍尔传感器
要使用这种方法需要在车轮上嵌入若干的永磁铁，这样采用霍尔传感器进行 检测。其优点是检测速度快且不会受光、温度、湿度等因素的影响，但是在车轮狭窄的空间上嵌入永磁铁是相当困难的，即机械改装难度大。另外，霍尔传感器价格昂贵。
★方案二：基于光电传感器的编码盘检测
采用这种方法需要在车轮轴上安装黑白相间的编码盘，然后采用红外对管的传感器来记录脉冲的数目，进而通过脉冲数求得小车在一段时间内转的圈数，从而算出速度。
★方案三：采用编码器
另外购买光电编码器安装在主驱动齿轮上，通过齿轮传过来的转动信息，获取后轮转角。
优点：获取信息准确，精度高，搭建容易。
缺点：增加后轮负载；光电编码器体积较大，导致车重增加。
经比较最终选择方案二，即基于反射式的光电传感器的编码盘测速方案。
2.3 硬件系统的最终方案
通过上面的分析比较，系统各个模块采用的方案分别如下：
（1）采用红外线传感器与摄像头相结合的总体设计；
（2）红外检测模块采用收发一体的对管传感器；
（3）采用CMOS摄像头做为摄像头模块的基础；
（4）基于编码盘的红外对管传感器测速；
舵机、电机驱动芯片、坡度检测芯片采用组委会统一提供的物品，这里就不做论证分析了。电源管理模块将在第四章中详细讲到。
2.4 软件系统的设计
如果说系统硬件对于赛车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的思想。有了健壮、灵敏的躯体还需要有聪明、智慧的大脑。所以软件系统对于赛车来说至关重要。首先，赛车系统通过图像采样模块获取前方赛道的图像数据，同时通过速度传感器模块实时获取赛车的速度。然后S12利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得赛车于黑线位置的偏差，接着采用bangbang控制方法对电机进行反馈控制。最终赛车根据检测到的速度，结合我们的速度控制策略，对赛车速度不断进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。赛车系统的软件结构如图所示。
只有将上述硬件、软件部分进行有效的融合，进行充分的实验、测试和标定工作，才能使赛车具有一个相对良好的整体驾驶性能。这也就是在接下来的各个分模块中需要做的工作。
