2.1 赛车特性分析和传感器方案的选择
2.1.1 赛车迟延特性分析
检测赛道相对车模的位移、方向、曲率等信息是实现车模自主沿着赛道运行的信息基础，获取更多、更远、更精确的赛道信息是提高车模运行速度的关键[。
按照第一届比赛的情况，冠军队清华大学的智能车平均车速为2.3m/s，而比赛规定使用的舵机在无负载条件下转过60°的延迟为0.16s，根据以下公式可以估算出从小车获取道路信息下达转向指令到舵机到达设定偏角的时间内，小车向前运行的距离，即迟延距离Sτ。
式（1）
经计算，2.3/0.160.368Smssτ=×=，即控制器输出舵机转角指令后，赛车还需要向前运行36.8cm才能转向完成，而比赛规定的跑道宽度为黑线两侧各30cm，如果没有提前转向，只凭借当前赛车与黑线的偏差进行控制，在2.3m/s的速度下必然冲出跑道。可见赛车是一个具有大迟延特性的对象，速度越大，这个迟延就越大。如果能够提前得到小车位置的偏差，提前转向，就能客服迟延，从而使高速过弯行驶成为了可能。
2.1.2 道路识别方案选型
智能车系统的赛道识别方案一般分为两种，一、基于红外光电传感器；二、基于摄像头。
（1）采用红外光电传感器循迹装置。
光电传感器循迹，即路径识别由一系列红外发光二极管、接收二极管组成，由于赛道中心为一条黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色赛道不同，路径识别系统由此判断行车的方向。光电传感器循迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。
由于光电传感器电路板不可能离开车体太远，不少参赛队伍调整了光电传感器和地面的夹角，使之能感知更远的路面。
为了“看”得更远，有的队伍采用脉冲式导通红外发光二极管的方法，在需要检测路面时将红外LED瞬间通过大电流使其短时间内发出比正常时大几倍的红外光，既能达到更大前瞻的好处，又大大地节约了电力，取得了相当好的效果。
光电传感器检测的路面宽度也比较有限，也有队伍采用可活动的红外传感支架，用伺服电机控制红外传感器在车模前方扫描，这样一方面减少了光电管的数量，并提高了检测的精度；同时也使其检测的路面范围扩大。
（2）采用CCD/CMOS图像传感器检测方式。
相对与观点传感器而言，基于图像的摄像头方案能够获得更多的赛道信息，感知赛车前方更远距离的赛道变化，从而为控制提供更好的决策依据。但是由于摄像头固有特性采集到的图像总是与实际有20ms的延迟，并且在图像采集和路径识别方面难度大大高于光电管方案，所以在一定程度上限制了它的使用。
在分析了第一届比赛的结果，我们发现信息量大的图像传感器路径识别系统在总体上取得了更好的成绩，预计下届比赛将出现大量采用图像传感器的队伍。
为了尽可能多得获得小车前方的道路参数，我们采用面阵图像传感器作为主要路径检测手段。通过面阵图像传感器，我们可以获取小车前方一段距离内的赛道信息，即可知道车体前方30-40cm处的赛道中心位置，实时地调整车辆位置；也可获得距离小车60-100cm处的赛道中心位置，为小车提前转向和减速争取时间；更重要的是，通过面阵的图像传感器，经过一系列算法的处理，我们可以较为准确地知道前方道路是直道还是弯道，弯道的曲率半径是多少，甚至还能够知道前方弯道是转向弯道还是S形连续弯道，为选用合适的控制策略提供有效可靠的保障。
2.2 系统硬件结构设计
智能车在硬件上由模型车底盘、转向舵机、驱动电机、电源模块、主控制器、摄像头及图像采集模块、电机驱动模块等组成。其中模型车底盘、舵机和驱动电机的信号结构比赛规则规定不得作任何改动，所以发挥的空间主要集中在电路设计和控制算法上。
硬件总体结构如图2-2所示。
图2.2 智能车硬件部分结构图
2.2.1 图像采集单元
单片机采集图像传感器的数据有两种方法，模拟式和数字式。模拟式的采集需先将摄像头输出的复合视频信号进行分离，得到独立的同步信号和视频模拟量信号，接着根据同步信号对视频信号进行A/D转换。这种方式需要一个高速的A/D转换器件和一个视频信号分离器件。在对图像精度要求不高的赛道识别来说，完全可以使用DG128的片内A/D进行处理，经过一系列的调整和设置，在8-bit精度下A/D转换时间可以低至1.5us左右，可以满足比赛的需要。这种方式的特点是硬件结构简单、通用，采集方法已有详细的资料，实现比较简单。就目前得到的信息第二届比赛的大部分摄像头方案的队伍都采用该方式。
数字式的图像采集则是利用CMOS图像传感器的数字输出特性，直接读取传感器的数字输出。该方式性能稳定，不需要A/D，图像采集工作在单片机就变成了按照一定顺序将外部数据并行读入，因此程序简单，采集速度快。但是由于图像传感器输出速度为13.5MHz，而单片机的总线速度最快也只有25MHz，限制了这种方式的应用。
我们使用了C3188A型CMOS摄像头模块作为图像传感器，并设计了基于FIFO的图像采集电路，以实现单片机对数字摄像头的高速采集，具体设计将在下文另作分析。
2.2.2 Freescale MC9S12DG128单片机
本次智能车比赛采用的MC9S12DG128（简称DG128）是Freescale公司（飞思卡尔，前摩托罗拉公司半导体部门）推出的S12系列单片机中的一款增强型16位单片机，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，在汽车电子应用领域具有广泛的用途。
DG128单片机采用增强型16位HCS12 CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；片内资源包括8K RAM、128K Flash、2K EEPROM； SCI、IIC、SPI、PWM串行接口模块；脉宽调制(PWM)模块可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。它包括两个8路10位精度A/D转换器，控制器局域网模块(CAN)，增强型捕捉定时器并支持背景调试模式[6]。DG128有112-pin和80-pin两种封装形式，80-pin封装的单片机没有引出用于扩展的端口，只引出了一个8路A/D接口。
图2.3 80pin MC9S12DG128管脚图
对于本次智能车比赛，80脚DG128的接口已经完全能够满足控制的需要，但是如果用该单片机进行高速A/D采集摄像头视频信号、进行复杂的图像处理的话，8M的总线频率是远远不够的。所以一方面我们要在算法上进行改进，采用简单高效的手段；另一方面我们必须将单片机的总线时钟提高到24M[]7 ，提高代码执行速度，通过这两个方面的处理，将大大提高系统效率，减小控制周期。
2.2.3 电机驱动模块
电动机的驱动部分所用的功率器件也经历了几次更新换代。以前模拟量驱动器使用比较广泛，现在由于PWM技术的不断发展和日趋完善，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型电动机控制方法能够得以实现。脉宽调制控制方法（PWM和SPWM）、变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的使用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合产生了一批新型电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机、开关磁阻电动机、超声波电动机等。
PWM技术的具体优点：
（1）调速范围宽，可以使电机安全地工作在每分钟几转到全速运转；
（2）效率高，电源能源损耗小；
（3）易于数字量控制；
（4）应用广泛，PWM技术不仅可以用在电机调速，还可以在直流变压、交流变频控制等领域有很大的应用。
为了满足小车控制的需要，必须设计一个高效、可靠的电机驱动电路，其必须满足以下几点要求：
（1）可靠性高，热稳定性好，能通过大电流。经测试，赛车在正常行驶时的功率为50W左右，以7.2V供电为例，驱动电路必须能够提供至少7A的电流才能保证赛车的正常工作，并且在长期使用后不能够发生故障。
（2）导通电阻尽量小。导通电阻的大小直接影响到驱动电路的效率。根据可知，在驱动电路上转换为热散失的功率与导通内阻成正比。 2PIr=×
（3）为了让小车在直道上高速行驶，转弯前快速限速至弯道安全速度，该驱动电路必须具有双向驱动能力。这样我们可以让电机反转达到明显的刹车功能，与让电机停转相比效率更高，刹车距离更短。
根据以上要求，我们发现H桥驱动芯片MC33886正好符合这些要求。
MC33886是飞思卡尔公司出品的H桥芯片，工作电压5-40V，导通电阻120毫欧姆，输入PWM频率<10KHz，内置短路保护、欠压保护、过温保护等功能 ，性能优越。
图2.4 MC33886基本电路和H桥基本结构
通过实际使用我们发现MC33886的发热现象非常明显，在小车高速运行一分钟后芯片的温度高达70多度，严重影响到效率和稳定性。我们又尝试采用两片MC33886并联组成电机驱动板，这样一方面可以减小导通电阻，从而提高电机驱动能力，并且其发热情况也将大大改善；另一方面可以减小MC33886内部的过流保护电路对电机启动和制动的影响[]9 。同时在每个芯片上安装了散热片，实际使用效果良好，连续运行2分钟芯片微热。
2.2.4 车速检测模块
车速检测大致有四种手段：
1、测速发电机
2、旋转编码器
3、对射式光电开关
4、霍尔元件
出于重量、价格和测量精度的原因，我们采用微型旋转编码器作为主要的测速元件。
利用车模后轴的齿轮将转速传动至编码器，使编码器输出一定频率的方波信号，在速度不太慢的情况下输出与实际速度的线性关系较好。设定单片机的ECT模块为脉冲累加功能，检测信号的上升沿，就能采集这些脉冲，得到当前车速。
2.2.5 电池供电模块
智能车的动力只来自车上的电池组，该电池组输出电压7.2V，为6颗1.2V镍镉充电电池串联而成，容量1800mAh。
由于不同模块下的供电电压不同，并处于隔离各模块供电、提高稳定性的考虑，我们将不同模块的供电独立设置。
除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池外，其余各模块的工作电压则需要经过集成稳压芯片，变换成合适的电压。
图2.5 智能车供电模块结构图
稳压电路可以分为串联稳压和开关稳压两种。开关稳压工作效率高，但是电源噪声较大，外围元件较多。串联稳压电路电路较为简洁，输出电源质量高，但其效率不高，大电流下发热严重。出于稳定性和系统复杂度的考虑，我们使用线性稳压器件为单片机和舵机供电。
小车电源只有7.2V，随着电机的使用，其电压还将持续下降，最低仅有6V，如果选用常见的稳压芯片7805、7806，很难保证其2V的最低压降。这里我们选用ON公司的NCP630低压差稳压芯片作为系统5V和6V的电源稳压芯片。
NCP630是一种高效率、低压差的串联稳压芯片，其应用线路简单，最大输出电流3A时压差低至1.25V，拥有固定电压输出和输出电压可调版本。这里使用一颗NCP630AD2T输出5V电源为单片机和CMOS图像传感器提供5V电压，另一颗输出6V电压为舵机供电。NCP630的应用电路如图2-9所示。
图2.6 NCP630A的应用电路
电机启动和舵机快速转向时，需要消耗较大的电流，此时电池电压会出现较大的波动，瞬间拉低电池电压，影响单片机的正常工作。为了减小干扰，提高供电的稳定性，我们在电池电压两端加入了一颗200uF/25V的电容，同时在单片机电源输入端并入一颗1500uF的电容，大大改善了供电的效果。
2.2.6 光电管辅助循迹电路
在摄像头能够完成绝大部分控制要求的前提下，我们在赛车前端加装了6对光电管，以在弯道时摄像头看不到跑道情况下实时纠正赛车偏移。
如下图所示，我们在小车左右两侧各布置3个光电对管，这样即可以有效地判断赛车是否有较大偏离。当任意一边的光电管检测到黑线时，即说明赛车转向不足或过度，应当进行适当地校正。
图2.7 辅助光电管布置
2.3 系统软件总体结构
智能车软件系统的基本功能包括：图像采集、赛道目标提取、路径参数计算、前轮转角控制、速度检测和控制、调试和通讯模块等。
考虑到赛车控制的单任务、周期性的特点，我们没有使用在本单片机上应用广泛的uC/OS实时操作系统[]11 ，而采用传统的程序流程控制方法，将图像采集到小车控制的任务放在一个死循环中顺序执行。
图2.8 智能车软件总体流程图
2.4 小结
智能车是个延迟较大的系统，我们通过实验和计算，简单分析了其迟延特性，得出高速运动下赛车需要提前了解更远处的赛道信息，前瞻距离越大，极限速度越高。通过对第一届比赛的分析，我们选择了CCD/CMOS摄像头方案作为智能车的主要传感器方案，以实现大前瞻的目的。
同时我们对电源、电机驱动和车速检测模块进行了设计，使其能够满足小车高速稳定运行的需要。
我们初步设计了智能车软件系统的总体结构，采用模块化设计思想、顺序任务的模式，保证软件的可靠性和开发的高效性。
