本模型车设计所用的核心控制单元是飞思卡尔公司生产的MC9S12DG128 MCU单片机。在控制方案和系统设计方面，先后经历了以下几个阶段：对智能模型车进行物理改造（自行设计和增加了传感器和主控板部分）；传感器信号采集处理模块设计；动力电机驱动模块设计；控制算法的编制及执行和调试；转向舵机控制设计与安装；最终完成智能车的工程制作并初步调试通过。
由于实际需要，我们对模型车进行了改造，主要增加了传感器和主控板部分。改造后的车模主要技术参数如下：车模总体重量1.8kg，长、宽、高尺寸分别为384mm、218 mm和180 mm；电路功耗约6W，所有电容总容量约为600uF；采用14个红外传感器；除了车模原有的驱动电机、舵机之外，未使用其他电机。
1智能车总体方案
智能车系统以飞思卡尔公司的DG128 MCU为核心，由电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块、转向电机控制模块、控制参数选择模块、单片机模块等组成。智能车系统工作电压由+7.2V、+6V、+5V三个系统混合组成，其中7.2V用于给驱动电机供电，6V用于给转向舵机供电，5V 给车速传感器、MCU 以及光电传感器发光管和接收管供电，其中转向舵机供电还可以通过跳线设置为7.2V，以提高转向控制能力。
智能车的工作模式是：光电传感器探测赛道信息，转速传感器检测当前车速，电池电压监测电路检测电池电压，并将这些信息输入单片机进行处理。通过控制算法对赛车发出控制命令，通过转向舵机和驱动电机对赛车的运动轨迹和速度进行实时控制。
2路径识别方案选择与电路设计
路径识别方案是首先需要确定的，主要有以下几个问题。
光电识别还是摄像头识别；
传感器如何排列？间隔多大、形状如何、单排还是双排；
传感器可向前探测的远度；
传感器信号采用数字式还是模拟式；
电路上如何实现。
由于光电识别方案简单可靠，因此本文采用了光电识别方案。
3数字式光电识别与模拟式光电识别
比赛组委会限制传感器个数最多为16个，除掉1个转速传感器，可用于探测路径的传感器为15个，而传感器允许布置的总宽度为25cm，如果采用数字式光电传感器均匀分布，对道路的探测精度只能达到17mm 左右，这样赛车在前进过程中很难达到很高的控制精度和响应速度。从本质上讲，数字式光电传感器的劣势就在于它丢掉了路径探测中的大量信息。模拟式光电传感器从理论上可以大大提高路径探测精度。模拟式光电传感器的发光和接收都是锥角一定的圆锥形空间，其电压大小与传感器距离黑色路径标记线的水平距离有定量关系：离黑线越近，电压越低，离黑线越远，则电压越高。因此，只要掌握了传感器电压—偏移距离特性关系，就可以根据传感器电压大小确定各传感器与黑色标记线的距离，进而获得车身纵轴线相对路径标记线的位置，得到连续分布的路径信息。
4前瞻设计与驱动控制
由于转向舵机、电机和车具有高阶惯性延迟的特性，从输入到输出需要一定的时间，越早知道前方道路的信息，就越能减小从输入到输出的滞后。检测车前方一定距离的赛道就叫前瞻，在一定的前瞻范围内，前瞻越大的传感器方案，其极限速度就会越高，其高速行驶过程中对引导线的跟随精度也相对较高，系统的整体响应性能较好。因此路径识别模块设计成抬起与地面形成一个夹角，以利于扩大前瞻，更好地调整车辆的姿态。
电机驱动采用的是飞思卡尔公司的MC33886半桥式驱动芯片。本设计方案只采用一片MC33886驱动芯片，在比赛现场我们明确发现，小车的驱动能力不够，直线路道速度和加速度都跟不上去。在接下来的改进考虑中，应使用多片MC33886并联驱动，一方面可以减小导通电阻，提高电机驱动能力，并且MC33886 的发热情况也有了很大的好转；另一方面减小MC33886内部的过流保护电路对电机启动及制动时的影响。具体操作是先加一块芯片试试再说，看并联后的效果怎样。
后轮驱动电机采用PID闭环控制，可根据不同负载状况及时调整PWM 的占空比，使车辆迅速地跟踪目标速度。为了尽量提高车速，采用了在直道上设定最高目标车速，定速控制，接近弯道处开始降速，正式转入弯道时，车速调整到过弯极限车速，将要出弯道时提前加速。这里会遇到一个问题，就是对直道和弯道的入点和出点的判断问题。另外，原方案对速度的PID闭环控制，其灵敏度过小，即从当前速度变化到目标速度的时间过长，这样就造成了入弯速度降不下来和出弯速度加不上去的情况。解决这些问题，从算法程序上应该加大p控制量，在硬件上应该使用多片驱动芯片，以提高p控制量的潜能。
5经验和结论
通过智能车开发过程，得出一些经验。开发之初需要对光电传感器特性、转向舵机特性、驱动电机特性、车辆机械性能、转向侧滑特性、电池特性等进行实际的检测。根据汽车理论对车辆进行规则容许范围之内的结构调整，使之达到较佳的机械性能。组委会开发了仿真平台，应该充分利用该仿真工具对基于光电传感器的路径识别方案进行研究，结合硬件的选型和自身在控制及电子方面的经验，确定路径识别方案。前瞻距离较远的方案有助于提高车辆的通过速度。车辆的控制采用PID即可满足要求，参数的整定需要结合道路试验进行。车速的加快和减慢不要太剧烈，平稳的控制也可以取得很好的效果。过大的加速度会导致电机和驱动芯片的过热以致驱动性能下降。
摄像头路径识别方案既可以实现更大的前瞻，电能消耗又较低，这些是今后努力的方向。摄像头的大前瞻会带来一个新的问题，那就是摄像头可以拍到赛道以外的图象，在光电方案中，各个传感器基本上很少有检测到赛道外区域的机会。怎样区分赛道内外，以及怎样获取各个路径参数是摄像头方案的关键。作为摄像头路径识别方案的重点和难点便是路径识别。
在路径识别方面可以从图象中提取以下信息作为识别依据，即像素灰度值、像素灰度邻差（两相邻灰度值的差），此外在算法上可以以可靠黑线路径点为起点，调用种子算法，由程序根据适当的优先权进行黑线寻迹。这样可以避免检测到赛道外的“黑点”。在控制策略上，主体上仍然采用PID控制，只是要加入动态前瞻检测。动态前瞻检测即是动态决定用于决策控制的摄像视野的远端和近端。在华东区的比赛中，有几支使用摄像头方案的队伍由于前瞻过远，在过大蛇弯时过于走直道，结果车轮出轨违规未能完成比赛，可惜！因此动态前瞻检测很有必要。在摄像头方案中的这种动态前瞻检测，可以考虑从远及近逐行扫描并判断该行是否可为决策控制的依据。其判断标准可定为目标方向线与可视赛道的各点的最远距离不超过赛道宽度的一半，这样就可以保证最大可能直走而不违规。
6光电方案的改进考虑：
（1）增加驱动芯片，提高驱动能力；
（2）增强速度控制，提高速控加速度，以适应瞬息万变的赛道；
（3）模糊记忆考虑，但不必强求；
（4）增加一排传感器，使用双排前瞻设计，提高预判能力；
（5）改进机械性能，想办法提高舵机灵敏度和反应速度，使小车重心后移，降低转动惯量，使转向灵活，加强前轮摩擦系数，防止侧滑和漂移现象。
