張 輝， 王永杰， 趙海敏， 楊 杰

（合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009）

智能小車的設計制作涉及模式識別、傳感器技術、自動控制、電力電子技術、計算機技術等多個領域［1］，設計好智能小車的路徑信息采集與路徑跟隨是智能小車設計制作的難點之一。激光傳感器以其響應速度快、精度高、量程大、抗干擾能力強等特點備受智能小車愛好者的青睞［2－5］。本文提出了一種基于激光傳感器路徑跟隨系統(tǒng)的設計方案，通過激光路徑跟隨，快速而精確地獲取路徑信息，從而提高了智能小車循跡行駛的速度，也降低了智能小車沖出跑道的概率。

1 路徑探測的基本原理

激光傳感器檢測路徑信息的基本原理為激光管發(fā)射出波長為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)遠小于白色部分，所以反射到接收管上的信號有較大的差異，經(jīng)過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，智能小車以2種路徑探測方式進入彎道時［6］，由于轉(zhuǎn)向舵機響應的滯后性，將激光探測板固定于智能小車前方的路徑信息探測方式很容易丟失彎道黑線的具體位置信息，如圖2a、圖2c所示；而采用路徑跟隨系統(tǒng)，響應速度是轉(zhuǎn)向舵機2倍的隨動舵機可以很快地使固定在其轉(zhuǎn)動臂上的激光探測板轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)中心激光點跟隨在道路中間的黑線上，從而避免丟失路徑信息，如圖2b、圖2d所示。

圖2 2種路徑探測方式入彎示意圖

在圖2e、圖2f中，彎道的半徑為R＝50cm，設智能小車激光點的橫向覆蓋寬度為L1，智能小車沿直線行駛。從小車的激光探測點剛進入彎道到激光點剛駛離黑線，其前輪轉(zhuǎn)向舵機還沒有完成轉(zhuǎn)向響應，這段時間內(nèi)車子行駛的距離是s＝如果智能小車轉(zhuǎn)彎的平均速度為v，舵機的響應時間為t≥s／v。當速度v＝2.5m／s，L1＝23cm，行駛距離為s＝31.90cm，響應時間為t≥127.6ms。設智能小車的前瞻（即激光探測光點與車子前輪的距離）為L2＝45cm，此時智能小車偏離路線的角度為：

由于隨動舵機安裝在車身中間位置，激光點與激光探測板的距離大于L2，故轉(zhuǎn)動角度會小一些（大約在θ′＝12.95°）。隨動舵機可以在20ms內(nèi)完成轉(zhuǎn)動θ′角，使激光點跟隨黑線；而轉(zhuǎn)向舵機要使轉(zhuǎn)向機構完成轉(zhuǎn)動θ角，至少要花費75ms。而行駛的小車如果提前1倍的時間判斷出激光點即將駛離黑線，那么這段時間內(nèi)小車又行駛了s′＝v×75／2＝93.75mm的距離，此時小車會因駛離黑線而沖出跑道。

此外，采用路徑跟隨系統(tǒng)，智能小車在連續(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。在小半徑的S彎上，智能小車只需要經(jīng)過隨動舵機轉(zhuǎn)動激光探測板，時刻捕捉跑道中心黑線，這時隨動舵機會在直線前行的角度下左右連續(xù)偏轉(zhuǎn)一個小角度，可以利用這個特征控制智能小車保持直線行駛的角度或者來回轉(zhuǎn)動很小的角度實現(xiàn)彎道高速行駛。在大半徑的彎道上，隨動舵機的偏轉(zhuǎn)角度變化較小，所以此時也可控制智能小車按直線方式加速行駛。而這些優(yōu)勢是將激光板固定于小車前方的路徑探測方式所不具備的。

2 硬件設計

2.1 激光探測板硬件電路設計

激光探測板硬件電路設計原理如圖3所示。

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

如果各激光管同時發(fā)射特定頻率的光，相鄰激光管發(fā)射出的光就會相互干涉，從而導致相互間的干擾，分時發(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次點亮，每次點亮相距較遠的2個激光管。在保證激光管亮度的前提下，分次點亮激光管可以避免相鄰激光管間發(fā)生干擾，降低探測板功耗，延長探測板使用壽命。分時發(fā)光由MAX4617多路模擬開關實現(xiàn)，其中控制信號A、B、C由單片機或微控制器輸出。接收管的信號輸送至單片機或微控制器。

2.2 激光探測板傳感器布局設計

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越來越弱，不足以使其導通而產(chǎn)生高低電平的數(shù)字信號。為了保證一定的前瞻，系統(tǒng)采用凸透鏡聚光，使原本微弱的光線匯聚到接收管上，從而使接收管導通，產(chǎn)生高低變化的信號，從而增大了前瞻。為了減少接收管的數(shù)量，本設計采用了“三對一”的對光策略，即1個接收管對應著3只激光管。

圖3 激光探測板硬件電路設計原理圖

如圖4所示，激光管共有12只，間距為20mm成一字型排開，編號為I～IV的接收管分別安放在其對應的3只發(fā)射光上方。

這樣布局，可以減少探測板的橫向距離，從而使其安裝在隨動舵機臂上時變得牢固，減少慣性帶來的抖動。

圖4 激光探測板傳感器布局

由于跑道寬度為50cm，為了最大限度地捕捉跑道中心黑線的位置，系統(tǒng)中激光傳感器發(fā)射出的光點在跑道上的分布如圖5所示。激光點之間的主間距為20mm，而2號激光點與3號激光點之間的距離設定為35mm，8號與9號之間的距離也設定為35mm。這樣設計可以使得激光點的橫向分布距離為25cm，剛好是跑道寬度的1／2。中間編號為3到8的激光點是主跟蹤黑線激光點，智能小車運行時，要保證5號或6號激光點分布在黑線上；兩側(cè)的6個激光點是在智能小車以較快速度進入急彎時的外圍保障點，也就是說，拉大了橫向?qū)挾萀1，可以增加轉(zhuǎn)向舵機及隨動舵機的響應時間，從而避免智能小車直接沖出跑道。

圖5 路徑上的激光光點分布

主間距為20mm，這樣對于寬度為25mm的黑線，可以使中間6個激光點出現(xiàn)13種控制狀態(tài)，對于圖5中分布的12個激光點，共計有25種控制狀態(tài)。這樣，可以精確地控制隨動舵機。

隨動舵機的控制主要是采用脈沖控制方式，只需要將單片機或微控制器的PWM（脈沖寬度調(diào)節(jié)）信號輸出到相應的引腳即可實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)角的控制。

3 軟件設計

激光探測板采用的是“三對一”的對光策略，因而激光接收管的信號需要經(jīng)過處理后再行存儲，處理規(guī)則見表1所列。表1中接收信號為高，表示該接收管接收不到反射回來的光，偏差值大小反映小車相對于中心線的相對位置大小。

單片機或微控制器根據(jù)采樣得到的路徑信息對隨動舵機進行控制［9］。如圖6所示，隨動舵機的控制思路是根據(jù)偏差值使隨動舵機在當前轉(zhuǎn)角上轉(zhuǎn)過一定的角度，該角度與偏差值成正比。然而，當比例系數(shù)選取得過大時，會導致光點在黑線位置來回擺動，造成隨動舵機帶著激光探測板不停地抖動；當比例系數(shù)選取得過小時，光點跟蹤黑線的速度偏慢，在速度較快時，系統(tǒng)將跟丟黑線。因此，比例系數(shù)的恰當選取是控制的重要環(huán)節(jié)。

表1 激光探測數(shù)據(jù)處理規(guī)則表

圖6 隨動舵機控制流程圖

智能小車放置在不同曲率半徑的彎道上，測量出前輪轉(zhuǎn)向舵機對應的最佳轉(zhuǎn)向角，使智能小車在彎道上用最佳轉(zhuǎn)向角快速地運行。此時，控制隨動舵機使激光點中心位于黑線上，得到隨動舵機的轉(zhuǎn)角，這2個轉(zhuǎn)角的比例即為轉(zhuǎn)向舵機純比例算法的比例系數(shù)。實際中，常常增加轉(zhuǎn)向舵機的比例系數(shù)，以使智能小車沿著跑道內(nèi)側(cè)行駛。另外可用比例微分算法，使得轉(zhuǎn)向舵機提前動作。

智能小車運行速度的控制也是系統(tǒng)設計的一大難點。實際中對速度的控制，不僅與當前的探測信息有關，還與路徑的形式有關，例如急彎、大彎、小S彎、交叉路口、坡道或停車區(qū)域。比如說小S彎，通過分段記錄車子行進5、10、15、20、25cm時的隨動舵機轉(zhuǎn)角信息，可以判斷此段時間內(nèi)車子行駛的道路曲率半徑，進而再通過行駛一段距離，在激光點進入到小S彎道的中間時，車子的前輪剛進入小S彎道，這時，隨動舵機的轉(zhuǎn)角會按照出彎的方式回正。此特征可以檢測小S彎道，此時的目標速度可以設置為與直線行駛速度一致，不需要減速行駛。

4 結(jié)束語

本文設計并實現(xiàn)了一種自主尋跡智能小車的激光路徑跟隨系統(tǒng)，理論分析與實踐證明：由于采用調(diào)制技術，激光傳感器工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強；高性能的隨動舵機可以提高獲取路徑信息的準確性與快速性；系統(tǒng)對智能小車整體實現(xiàn)自主快速穩(wěn)定的行駛起到了重要作用。利用本文設計的小車激光路徑跟隨系統(tǒng)可以使平均運行速度提高到2.7m／s并且不會沖出跑道。

［1］卓 晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能小車［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007：161－171.

［2］黃開勝.基于光電傳感和路徑記憶的車輛導航系統(tǒng)［J］.電子產(chǎn)品世界，2007（1）：50－55.

［3］郭榮慶，孫家永，許世維，等.基于激光傳感器的車輛超高檢測系統(tǒng)研究［J］.科技導報，2011，29（8）：63－66.

［4］王 玲，孫 波.紅外光電傳感器自動尋跡智能車的設計與實現(xiàn)［J］.沈陽理工大學學報，2010，29（2）：57－60.

［5］趙永利，武 麗，劉 杰.光電式自主尋跡小車抗干擾技術研究［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24（1）：18－20.

［6］李登峰，宋廣發(fā)，趙彩霞.基于隨動式信息采集系統(tǒng)的智能小車 研 究 ［J］.計 算 機 工 程 與 設 計，2011，32（8）：2675－2678.

［7］蔡鈞璞，陸亦懷.基于DSP的光電探測器數(shù)據(jù)采集［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，34（5）：700－704.

［8］王瀛洲.智能車自主尋跡系統(tǒng)硬件的設計分析［J］.儀器儀表用戶，2011，18（1）：60－62.

［9］何獻忠.位置隨動系統(tǒng)軟件控制的研究［J］.儀表技術與傳感器，2010（4）：45－47.