自主尋跡智能小車(chē)的激光路徑跟隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 輝， 王永杰， 趙海敏， 楊 杰

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

智能小車(chē)的設(shè)計(jì)制作涉及模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域［1］，設(shè)計(jì)好智能小車(chē)的路徑信息采集與路徑跟隨是智能小車(chē)設(shè)計(jì)制作的難點(diǎn)之一。激光傳感器以其響應(yīng)速度快、精度高、量程大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)備受智能小車(chē)愛(ài)好者的青睞［2－5］。本文提出了一種基于激光傳感器路徑跟隨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)激光路徑跟隨，快速而精確地獲取路徑信息，從而提高了智能小車(chē)循跡行駛的速度，也降低了智能小車(chē)沖出跑道的概率。

1 路徑探測(cè)的基本原理

激光傳感器檢測(cè)路徑信息的基本原理為激光管發(fā)射出波長(zhǎng)為650～670nm的激光束，經(jīng)跑道面反射后被接收管接收。跑道面黑色部分反射系數(shù)遠(yuǎn)小于白色部分，所以反射到接收管上的信號(hào)有較大的差異，經(jīng)過(guò)處理就可以辨別出跑道的黑色面與白色面，如圖1所示。

圖1 激光傳感器工作原理示意圖

如圖2所示，智能小車(chē)以2種路徑探測(cè)方式進(jìn)入彎道時(shí)［6］，由于轉(zhuǎn)向舵機(jī)響應(yīng)的滯后性，將激光探測(cè)板固定于智能小車(chē)前方的路徑信息探測(cè)方式很容易丟失彎道黑線(xiàn)的具體位置信息，如圖2a、圖2c所示；而采用路徑跟隨系統(tǒng)，響應(yīng)速度是轉(zhuǎn)向舵機(jī)2倍的隨動(dòng)舵機(jī)可以很快地使固定在其轉(zhuǎn)動(dòng)臂上的激光探測(cè)板轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中心激光點(diǎn)跟隨在道路中間的黑線(xiàn)上，從而避免丟失路徑信息，如圖2b、圖2d所示。

圖2 2種路徑探測(cè)方式入彎示意圖

在圖2e、圖2f中，彎道的半徑為R＝50cm，設(shè)智能小車(chē)激光點(diǎn)的橫向覆蓋寬度為L(zhǎng)1，智能小車(chē)沿直線(xiàn)行駛。從小車(chē)的激光探測(cè)點(diǎn)剛進(jìn)入彎道到激光點(diǎn)剛駛離黑線(xiàn)，其前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)還沒(méi)有完成轉(zhuǎn)向響應(yīng)，這段時(shí)間內(nèi)車(chē)子行駛的距離是s＝如果智能小車(chē)轉(zhuǎn)彎的平均速度為v，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為t≥s／v。當(dāng)速度v＝2.5m／s，L1＝23cm，行駛距離為s＝31.90cm，響應(yīng)時(shí)間為t≥127.6ms。設(shè)智能小車(chē)的前瞻（即激光探測(cè)光點(diǎn)與車(chē)子前輪的距離）為L(zhǎng)2＝45cm，此時(shí)智能小車(chē)偏離路線(xiàn)的角度為：

由于隨動(dòng)舵機(jī)安裝在車(chē)身中間位置，激光點(diǎn)與激光探測(cè)板的距離大于L2，故轉(zhuǎn)動(dòng)角度會(huì)小一些（大約在θ′＝12.95°）。隨動(dòng)舵機(jī)可以在20ms內(nèi)完成轉(zhuǎn)動(dòng)θ′角，使激光點(diǎn)跟隨黑線(xiàn)；而轉(zhuǎn)向舵機(jī)要使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，至少要花費(fèi)75ms。而行駛的小車(chē)如果提前1倍的時(shí)間判斷出激光點(diǎn)即將駛離黑線(xiàn)，那么這段時(shí)間內(nèi)小車(chē)又行駛了s′＝v×75／2＝93.75mm的距離，此時(shí)小車(chē)會(huì)因駛離黑線(xiàn)而沖出跑道。

此外，采用路徑跟隨系統(tǒng)，智能小車(chē)在連續(xù)彎道上尤其是小半徑的S彎與大半徑的彎道上具有更大的優(yōu)勢(shì)。在小半徑的S彎上，智能小車(chē)只需要經(jīng)過(guò)隨動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)激光探測(cè)板，時(shí)刻捕捉跑道中心黑線(xiàn)，這時(shí)隨動(dòng)舵機(jī)會(huì)在直線(xiàn)前行的角度下左右連續(xù)偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，可以利用這個(gè)特征控制智能小車(chē)保持直線(xiàn)行駛的角度或者來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)很小的角度實(shí)現(xiàn)彎道高速行駛。在大半徑的彎道上，隨動(dòng)舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度變化較小，所以此時(shí)也可控制智能小車(chē)按直線(xiàn)方式加速行駛。而這些優(yōu)勢(shì)是將激光板固定于小車(chē)前方的路徑探測(cè)方式所不具備的。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光探測(cè)板硬件電路設(shè)計(jì)

激光探測(cè)板硬件電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

普通接收三極管易受太陽(yáng)光及其他光源的干擾［7］，因而需采用只接收固定頻率光線(xiàn)的接收三極管（圖3中接收管）。為使激光管（圖3中Laser0、Laser6等）發(fā)出的光線(xiàn)能夠被接收管準(zhǔn)確接收，需將激光調(diào)制到接收管能夠接收的范圍。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用180kHz的頻率對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，這樣接收管易于接收，也在一定程度上增加了前瞻。

如果各激光管同時(shí)發(fā)射特定頻率的光，相鄰激光管發(fā)射出的光就會(huì)相互干涉，從而導(dǎo)致相互間的干擾，分時(shí)發(fā)光可以避免這種現(xiàn)象［8］。在本系統(tǒng)中，12只激光管共分6次點(diǎn)亮，每次點(diǎn)亮相距較遠(yuǎn)的2個(gè)激光管。在保證激光管亮度的前提下，分次點(diǎn)亮激光管可以避免相鄰激光管間發(fā)生干擾，降低探測(cè)板功耗，延長(zhǎng)探測(cè)板使用壽命。分時(shí)發(fā)光由MAX4617多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，其中控制信號(hào)A、B、C由單片機(jī)或微控制器輸出。接收管的信號(hào)輸送至單片機(jī)或微控制器。

2.2 激光探測(cè)板傳感器布局設(shè)計(jì)

接收管接收到的是經(jīng)跑道平面漫反射的光，然而隨著前瞻的增加，接收管接收到的光強(qiáng)越來(lái)越弱，不足以使其導(dǎo)通而產(chǎn)生高低電平的數(shù)字信號(hào)。為了保證一定的前瞻，系統(tǒng)采用凸透鏡聚光，使原本微弱的光線(xiàn)匯聚到接收管上，從而使接收管導(dǎo)通，產(chǎn)生高低變化的信號(hào)，從而增大了前瞻。為了減少接收管的數(shù)量，本設(shè)計(jì)采用了“三對(duì)一”的對(duì)光策略，即1個(gè)接收管對(duì)應(yīng)著3只激光管。

圖3 激光探測(cè)板硬件電路設(shè)計(jì)原理圖

如圖4所示，激光管共有12只，間距為20mm成一字型排開(kāi)，編號(hào)為I～I(xiàn)V的接收管分別安放在其對(duì)應(yīng)的3只發(fā)射光上方。

這樣布局，可以減少探測(cè)板的橫向距離，從而使其安裝在隨動(dòng)舵機(jī)臂上時(shí)變得牢固，減少慣性帶來(lái)的抖動(dòng)。

圖4 激光探測(cè)板傳感器布局

由于跑道寬度為50cm，為了最大限度地捕捉跑道中心黑線(xiàn)的位置，系統(tǒng)中激光傳感器發(fā)射出的光點(diǎn)在跑道上的分布如圖5所示。激光點(diǎn)之間的主間距為20mm，而2號(hào)激光點(diǎn)與3號(hào)激光點(diǎn)之間的距離設(shè)定為35mm，8號(hào)與9號(hào)之間的距離也設(shè)定為35mm。這樣設(shè)計(jì)可以使得激光點(diǎn)的橫向分布距離為25cm，剛好是跑道寬度的1／2。中間編號(hào)為3到8的激光點(diǎn)是主跟蹤黑線(xiàn)激光點(diǎn)，智能小車(chē)運(yùn)行時(shí)，要保證5號(hào)或6號(hào)激光點(diǎn)分布在黑線(xiàn)上；兩側(cè)的6個(gè)激光點(diǎn)是在智能小車(chē)以較快速度進(jìn)入急彎時(shí)的外圍保障點(diǎn)，也就是說(shuō)，拉大了橫向?qū)挾萀1，可以增加轉(zhuǎn)向舵機(jī)及隨動(dòng)舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，從而避免智能小車(chē)直接沖出跑道。

圖5 路徑上的激光光點(diǎn)分布

主間距為20mm，這樣對(duì)于寬度為25mm的黑線(xiàn)，可以使中間6個(gè)激光點(diǎn)出現(xiàn)13種控制狀態(tài)，對(duì)于圖5中分布的12個(gè)激光點(diǎn)，共計(jì)有25種控制狀態(tài)。這樣，可以精確地控制隨動(dòng)舵機(jī)。

隨動(dòng)舵機(jī)的控制主要是采用脈沖控制方式，只需要將單片機(jī)或微控制器的PWM（脈沖寬度調(diào)節(jié)）信號(hào)輸出到相應(yīng)的引腳即可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

激光探測(cè)板采用的是“三對(duì)一”的對(duì)光策略，因而激光接收管的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)處理后再行存儲(chǔ)，處理規(guī)則見(jiàn)表1所列。表1中接收信號(hào)為高，表示該接收管接收不到反射回來(lái)的光，偏差值大小反映小車(chē)相對(duì)于中心線(xiàn)的相對(duì)位置大小。

單片機(jī)或微控制器根據(jù)采樣得到的路徑信息對(duì)隨動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行控制［9］。如圖6所示，隨動(dòng)舵機(jī)的控制思路是根據(jù)偏差值使隨動(dòng)舵機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)角上轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，該角度與偏差值成正比。然而，當(dāng)比例系數(shù)選取得過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光點(diǎn)在黑線(xiàn)位置來(lái)回?cái)[動(dòng)，造成隨動(dòng)舵機(jī)帶著激光探測(cè)板不停地抖動(dòng)；當(dāng)比例系數(shù)選取得過(guò)小時(shí)，光點(diǎn)跟蹤黑線(xiàn)的速度偏慢，在速度較快時(shí)，系統(tǒng)將跟丟黑線(xiàn)。因此，比例系數(shù)的恰當(dāng)選取是控制的重要環(huán)節(jié)。

表1 激光探測(cè)數(shù)據(jù)處理規(guī)則表

圖6 隨動(dòng)舵機(jī)控制流程圖

智能小車(chē)放置在不同曲率半徑的彎道上，測(cè)量出前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)向角，使智能小車(chē)在彎道上用最佳轉(zhuǎn)向角快速地運(yùn)行。此時(shí)，控制隨動(dòng)舵機(jī)使激光點(diǎn)中心位于黑線(xiàn)上，得到隨動(dòng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，這2個(gè)轉(zhuǎn)角的比例即為轉(zhuǎn)向舵機(jī)純比例算法的比例系數(shù)。實(shí)際中，常常增加轉(zhuǎn)向舵機(jī)的比例系數(shù)，以使智能小車(chē)沿著跑道內(nèi)側(cè)行駛。另外可用比例微分算法，使得轉(zhuǎn)向舵機(jī)提前動(dòng)作。

智能小車(chē)運(yùn)行速度的控制也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。實(shí)際中對(duì)速度的控制，不僅與當(dāng)前的探測(cè)信息有關(guān)，還與路徑的形式有關(guān)，例如急彎、大彎、小S彎、交叉路口、坡道或停車(chē)區(qū)域。比如說(shuō)小S彎，通過(guò)分段記錄車(chē)子行進(jìn)5、10、15、20、25cm時(shí)的隨動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)角信息，可以判斷此段時(shí)間內(nèi)車(chē)子行駛的道路曲率半徑，進(jìn)而再通過(guò)行駛一段距離，在激光點(diǎn)進(jìn)入到小S彎道的中間時(shí)，車(chē)子的前輪剛進(jìn)入小S彎道，這時(shí)，隨動(dòng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角會(huì)按照出彎的方式回正。此特征可以檢測(cè)小S彎道，此時(shí)的目標(biāo)速度可以設(shè)置為與直線(xiàn)行駛速度一致，不需要減速行駛。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種自主尋跡智能小車(chē)的激光路徑跟隨系統(tǒng)，理論分析與實(shí)踐證明：由于采用調(diào)制技術(shù)，激光傳感器工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)；高性能的隨動(dòng)舵機(jī)可以提高獲取路徑信息的準(zhǔn)確性與快速性；系統(tǒng)對(duì)智能小車(chē)整體實(shí)現(xiàn)自主快速穩(wěn)定的行駛起到了重要作用。利用本文設(shè)計(jì)的小車(chē)激光路徑跟隨系統(tǒng)可以使平均運(yùn)行速度提高到2.7m／s并且不會(huì)沖出跑道。

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