基于激光傳感器的智能車路徑識別系統(tǒng)設(shè)計

羅強，徐文城，劉堯

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

0 引 言

本文的背景是“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能車競賽，大賽要求實現(xiàn)智能車對賽道自主識別和循跡。取勝的關(guān)鍵是準確地識別路徑、實時的速度和轉(zhuǎn)向控制，因此路徑識別模塊在整個智能車控制系統(tǒng)中顯得格外重要。路徑常用的檢測器件有光電傳感器和CCD圖像傳感器。光電傳感器具有電路原理簡單、安裝方便、檢測速度快、數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)處理簡單的優(yōu)點而得到了廣泛的運用，但存在前瞻性不夠、易受外界光線影響的不足，極大地限制了智能車速度的提升。本文詳細介紹了一種基于激光傳感器的智能車路徑識別系統(tǒng)設(shè)計，解決了光電傳感器前瞻性不足和易受現(xiàn)場環(huán)境干擾的問題。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能車系統(tǒng)主要包括穩(wěn)壓電源、路徑識別（路徑信息采集和處理）、速度采集、舵機驅(qū)動、電機驅(qū)動5大 模 塊［1］，本 文 主要針對路徑識別模塊進行研究和設(shè)計。路徑識別模塊與智能車系統(tǒng)的其他模塊關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 路徑信息采集

光電傳感器作為路徑采集器件，雖具有電路設(shè)計簡單、安裝方便、檢測速度快、數(shù)據(jù)量小等優(yōu)勢，但受其前瞻太短、易受光線干擾的影響，在競賽中往往表現(xiàn)為智能車沖出賽道、比賽失敗或速度太慢等現(xiàn)象。本節(jié)詳細介紹了光電傳感器的選擇、循跡原理、布局和電路設(shè)計等方面，從根本上解決了光電傳感器前瞻不足和易受干擾的問題。

2.1 光電傳感器的循跡原理

光電傳感器分為發(fā)射和接收部分。接收一般采用光敏晶體管。光敏晶體管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。光敏晶體管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。光電流會隨著外界光線強度的改變而變化，因而常用于測量光亮強度。通過VI轉(zhuǎn)換電路可將光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為微處理器的AD轉(zhuǎn)換和I／O輸入信號。

智能車是基于車載傳感器動態(tài)攝取路面信息，識別白色場地中的黑色引導(dǎo)線，并且沿著黑線行駛的智能控制系統(tǒng)。黑色和白色材質(zhì)對光線擁有不同的反射率，根據(jù)光照射到白色部分和黑色引導(dǎo)線時，反射到光敏晶體管的光照量不同，來辨別黑色引導(dǎo)線與車模的偏移位置。

2.2 光電傳感器的選擇

市場上光電傳感器種類繁多，參數(shù)也不一致，如何選取合適光電傳感器至關(guān)重要。目前，市場上的光電發(fā)射管主要分為紅外和激光兩種；光電接收管主要分為光敏二極管和光敏三極管。

紅外傳感器

優(yōu)點：體積較小，重量輕，便于安裝，電路設(shè)計簡單，市場上已經(jīng)有比較成熟的紅外發(fā)射器，使用方便。

缺點：（1）發(fā)射功率較小，照射距離不遠，光比較發(fā)散，不利于提高系統(tǒng)的前瞻性。（2）紅外傳感器受溫度影響較大，采集的值波動很大，數(shù)據(jù)處理麻煩，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。（3）易受大氣紅外線干擾，魯棒性差。

激光傳感器

優(yōu)點：可見，直射距離遠，平行性好，能量衰減小，能有效提升探測距離，提高系統(tǒng)的前瞻性［2］。

缺點：（1）激光所需功率大，使用壽命不長，且激光頭較重，安裝不方便。（2）由于市場上沒有專門的激光接收管，數(shù)據(jù)處理起來也比較麻煩。

光電接收管

光敏三極管與光敏二極管相比具有很大的光電放大作用，即具有高的靈敏度，并且不同材料制作的光敏三極管具有不同的光譜特性。

綜合以上比較，紅外傳感器雖然安裝比較簡便，使用壽命長，但由于照射距離的限制，不利于提高系統(tǒng)的整體反應(yīng)速度。所以本系統(tǒng)在基于提高前瞻的出發(fā)點上，采用了激光管作為發(fā)射管。由于外界光線的存在是不可避免的，必須考慮給光電接收管采集信號帶來的影響。為了盡可能的減少外界光信號的接收，最終選定只接收180kHz特定頻率光信號的光敏三極管作為光電傳感器接收管。本系統(tǒng)首先從器件的選擇上初步提高了路徑識別的前瞻性和抗干擾能力。

2.3 采集電路設(shè)計

采集電路是路徑識別系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，更是本系統(tǒng)較其他識別系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新部分之一。它突破了傳統(tǒng)識別系統(tǒng)發(fā)射管持續(xù)發(fā)射靠接收管來定位智能車的設(shè)計思想，改進為選通驅(qū)動調(diào)制后的激光信號，實現(xiàn)依靠激光管來定位智能車。

2.3.1 激光發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射電路需同時實現(xiàn)激光信號的調(diào)制［3］、選通驅(qū)動和過流保護等功能。

在傳感器的選擇中確定了采用只接收180 kHz特定頻率光信號的光敏三極管作為接收管，則需要對激光發(fā)射信號進行調(diào)頻處理。系統(tǒng)通過MC9S12XS128的PWM模塊產(chǎn)生180kHz的PWM信號作為激光管的調(diào)制信號源，通過軟件產(chǎn)生方案簡化了硬件電路設(shè)計。在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)相鄰激光信號干擾現(xiàn)象比較嚴重，調(diào)制信號雖增加了抗外界光線干擾的能力，卻帶來了自身相互干擾的新問題，本系統(tǒng)又增加了選通驅(qū)動處理，為了減少I／O端口占用，選用2片138譯碼器定時產(chǎn)生選通信號。最終電路實現(xiàn)如圖2所示，將PWM信號和選通信號通過與門疊加輸出驅(qū)動激光二極管，同時完成了信號的調(diào)制和選通，簡化了硬件電路設(shè)計。

2.3.2 接收電路設(shè)計

圖2 發(fā)射電路

選用專門接收180kHZ光信號的光敏三極管作為激光信號接收器，加上光學(xué)聚光鏡不僅可以將接收距離提高到40cm以上，滿足小車前瞻性較遠的要求；還擴大了接收范圍，一個接收管可接收左右相鄰3、4個發(fā)射管的光信號，結(jié)合發(fā)射管的選通驅(qū)動技術(shù)為依靠發(fā)射管來定位的設(shè)計思想給予了強大的支持，減少了接收管的數(shù)目，擺脫了競賽規(guī)則對接收管數(shù)目限制的束縛。經(jīng)過實驗只需5個接收管就能完全接收15個發(fā)射管的信號。設(shè)計中通過加置上拉電阻，將接收管輸出信號由模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號，直接通過單片機的I／O通道進行數(shù)據(jù)采集，減少AD采集處理過程，提高了小車的響應(yīng)速度。當激光照在賽道的白板上時，光信號反射回接收管，接收管輸出為低電平，當照射在黑線上時反射回接收管的信號比較微弱，接收管輸出為5V高電平。接收電路如圖3所示。

圖3 接收電路

2.4 傳感器布局

圖4 傳感器布局

傳感器的布局也會影響路徑信息的采集和信息的處理，常見布局方案有單排、雙排、“一”字型、“八”字 型、“W”型［4］等。本系統(tǒng)采用簡單的“一”字型單排布局模式，由15個激光發(fā)射管和5個接收管組成。鑒于比賽中規(guī)定導(dǎo)引線寬度為2 cm，經(jīng)過多次試驗可得，1.5cm等間距排布激光發(fā)射管時，智能車丟線情況最少，在識別中更能實現(xiàn)兩個連續(xù)的激光管同時檢測到黑線，這種分布排列為軟件中的濾波算法提供依據(jù)，提高了識別精度，布局如圖4所示。

圖5 路徑信息處理流程

3 路徑信息處理

硬件設(shè)計確定后，算法軟件就要發(fā)揮決定性作用。本節(jié)介紹了路徑信息處理設(shè)計，主要完成傳感器信號提取，信號濾波，導(dǎo)引線提取，賽道分析和舵機控制。軟件流程如圖5所示。

3.1 信號采集和濾波

系統(tǒng)的設(shè)計思想是通過選通驅(qū)動激光信號來定位小車。軟件實現(xiàn)上通過定時器中斷產(chǎn)生1ms間隔，依次驅(qū)動激光發(fā)射管和采集接收管信號。在某一激光管選通時，同時采集5個接收管信號。若5個接收管中至少有1為高電平，則表示此時發(fā)射管照射在黑色導(dǎo)引線上，否則照射在賽道白區(qū)上。這種采集方式不需要辨別是哪個接收管接收到了激光信號，也不需要固定采集與發(fā)射管相鄰位置的接收管信號，較傳統(tǒng)的采集方式更加靈活和簡便。并將接收信號存入sen＿flag［i］數(shù)組與發(fā)射管序號對應(yīng)的位置中，其中1代表黑線，0代表白區(qū)。當15個激光管依次選通完后才完成路徑信息的一次采集過程。

由于賽道的不光滑和不干凈，采集的路徑信息難免不出現(xiàn)錯誤，需要對采集的信息進行濾波處理，保證信息的準確性，降低智能車舵機轉(zhuǎn)向出錯的幾率?；?5mm等間距的激光發(fā)射管布局設(shè)計，一般賽道（除起跑線、十字交叉線、全白區(qū)外）都會有兩個發(fā)射管照射在黑色導(dǎo)引線上，同時sen＿flag［i］數(shù)組中的黑線位置也會連續(xù)。如果sen＿flag［i］中為1的位置不連續(xù)且跳變不規(guī)律，并和之前采集數(shù)據(jù)預(yù)測的情況偏差太大，則可判定為此幀數(shù)據(jù)無效，可直接刪除或做一定修改。

3.2 導(dǎo)引線的提取

經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)有很高的正確率，為導(dǎo)引線的提取提供了可靠的保證。觀察到接收信號sen＿flag［i］全為0＼1信號，設(shè)計巧妙的借用CCD圖像處理跳變沿的方式來提取導(dǎo)引線。將sen＿flag［i］中為1的位置信息存入black［i］中，并統(tǒng)計為1的個數(shù)賦給sen＿blackcount，即是保持照射在黑線上的激光發(fā)射管編號和個數(shù)。依次比較black［i］中所存位置是否連續(xù)，統(tǒng)計跳變次數(shù)賦值給sen＿change。根據(jù)表1羅列的跳變關(guān)系和黑點數(shù)可以準確的提取出黑色導(dǎo)引線。

表1 導(dǎo)引線與黑點數(shù)、跳變數(shù)關(guān)系

3.3 賽道分析

按一定間隔存儲一定量的導(dǎo)引線信息，可形成像攝像頭采集的一幀圖像信號一樣，可根據(jù)導(dǎo)引線的走勢區(qū)分出直道、小S、大S、小圓等賽道區(qū)段。改變了傳統(tǒng)意義上光電傳感器只能提供孤立和單一排路徑信息的局面，讓智能車能夠看清前面一段路面整體情況后再選擇如何去走，而不是像盲人一樣依靠拐杖探索著去走。這樣的設(shè)計讓智能車在實際競賽中表現(xiàn)更為精彩。

3.4 轉(zhuǎn)向控制

提取完導(dǎo)引線、分析了賽道情況，接下來就是舵機轉(zhuǎn)向控制。好的轉(zhuǎn)向控制算法能使智能車轉(zhuǎn)得更靈活，走路徑更短，更穩(wěn)定。系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向控制上主要采用加權(quán)算法［5］和賽道預(yù)測法聯(lián)合計算轉(zhuǎn)向控制量。

（1）加權(quán)算法求小車轉(zhuǎn)角值

依據(jù)每個激光管距離車中心的位置，給予不同的權(quán)重值sen＿quan［i］。計算方法如下：

其中，sum為所有照射到黑線的發(fā)射管的權(quán)重值之和；s＿flag為檢測到黑點的個數(shù)；sen＿jiaquan為轉(zhuǎn)角值。

（2）賽道預(yù)測法

主要是根據(jù)賽道分析結(jié)果預(yù)測出一個舵機轉(zhuǎn)角值sen＿exp，配合加權(quán)算法得到的轉(zhuǎn)角值sen＿jiaquan計算出實際轉(zhuǎn)向值，通過PWM輸出到轉(zhuǎn)向伺服電機上，實現(xiàn)智能車方向控制。加權(quán)平均和賽道預(yù)測聯(lián)合算法大大地改善了光電傳感器智能車因前瞻不足而出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向滯后問題。

4 結(jié)束語

本文對基于激光傳感器的智能車路徑識別系統(tǒng)進行了較為深入的研究，重點介紹了采集電路的設(shè)計、信號處理、舵機控制算法。通過智能車實踐及競賽證明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能高。

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