王玲玲，孫艷麗，王 康

（1.海軍航空工程學(xué)院控制工程系 山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部 山東 煙臺(tái) 264001；3.海軍航空工程學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈工程系 山東 煙臺(tái) 264001）

基于激光傳感器的路徑識(shí)別算法與實(shí)現(xiàn)

王玲玲1，孫艷麗2，王 康3

（1.海軍航空工程學(xué)院控制工程系 山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部 山東 煙臺(tái) 264001；3.海軍航空工程學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈工程系 山東 煙臺(tái) 264001）

在智能車(chē)研究中，激光頭作為一種高精度、高實(shí)時(shí)性的傳感器而廣泛應(yīng)用于識(shí)別路徑信息。本文針對(duì)具體的賽道參數(shù)，設(shè)計(jì)激光傳感器電路用以實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別，并提出一種路徑識(shí)別算法準(zhǔn)確提取路徑信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可行且具有較高精度。

激光傳感器；路徑識(shí)別；硬件布局；軟件算法

智能車(chē)又叫做輪式移動(dòng)機(jī)器人，是一種集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，已廣泛使用在科學(xué)探索、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域［1］。智能車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)自主運(yùn)行，其中重要的一環(huán)是其能夠?qū)χ車(chē)h(huán)境進(jìn)行識(shí)別并按照預(yù)期目的進(jìn)行行走。目前智能車(chē)的識(shí)別方式主要有循跡、壁障、圖像處理等，每一種方式又有其優(yōu)缺點(diǎn)及獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)合［2-4］。本文主要針對(duì)具有黑色引導(dǎo)線并帶有彎道、坡道等特征的白色道路進(jìn)行路徑識(shí)別。

1 需求分析

智能車(chē)系統(tǒng)需要在如圖所示的賽道上，通過(guò)傳感器采集路徑信息，并經(jīng)過(guò)一定的程序處理，提取出黑線信息，使得智能車(chē)能夠循線進(jìn)行競(jìng)速賽跑。

通過(guò)分析易知，在整個(gè)系統(tǒng)中含有兩種閉環(huán)控制，首先是循跡，即方向控制，要求能夠通過(guò)傳感器采集路徑信息并根據(jù)信息自主行駛。其次是競(jìng)速，即速度控制，根據(jù)不同路況進(jìn)行速度以及方向的改變，使其行駛過(guò)程又穩(wěn)又快。這兩種控制并不是完全獨(dú)立的，二者存在耦合關(guān)系。例如在遇到彎道時(shí)，既需要方向控制改變行駛軌跡，也需要通過(guò)速度控制降低車(chē)速。文中著重于設(shè)計(jì)而非系統(tǒng)建模，因此先從能夠完成功能需求的角度完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)這種關(guān)系的解耦則通過(guò)程序上的算法和參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了完成上述的兩種控制任務(wù)，整個(gè)智能車(chē)系統(tǒng)需要如圖1所示的電路。除了基本的人機(jī)IO模塊和必備的供電電路，單片機(jī)電路充當(dāng)了邏輯控制單元，轉(zhuǎn)向電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為各自控制里的執(zhí)行元件，另外還需要路徑信息和速度信息的反饋元件電路。

圖1 硬件整體框圖Fig.1 Whole block diagram of hardware

3 激光電路的原理及硬件設(shè)計(jì)

3.1 激光管的原理

根據(jù)賽道信息，跑道外鋪以深色幕布，則對(duì)于賽道識(shí)別傳感器來(lái)說(shuō)，跑道主要區(qū)分為白色區(qū)域與黑色區(qū)域。如果使用激光管作為路徑識(shí)別傳感器，激光管發(fā)射激光照射跑道，跑道的白色部分與黑色部分具有不同的反射強(qiáng)度，此時(shí)根據(jù)激光接收管接收到的光線強(qiáng)弱，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路，使得單片機(jī)通過(guò)接收端口的“0”“1”信息，區(qū)分反射的強(qiáng)弱光［5］。

圖2 激光管反射光示意圖Fig.2 Light reflection of laser tube

由此可見(jiàn)，激光傳感器由兩部份構(gòu)成，一部分為發(fā)射部分，一部分為接收部分。而接收部分之所以能只接收來(lái)自發(fā)射部分從賽道的反射光，是由于發(fā)射部分是由一個(gè)振蕩管發(fā)出180KHz頻率的振蕩波，而接收部份由一個(gè)相匹配180 KHz的接收管接收返回的光。即激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只接受相同頻率的反射光。

3.2 激光管的布局

根據(jù)上述的原理，一對(duì)激光發(fā)射接收管可以獲得一個(gè)道路信息，同一時(shí)間如果要獲得當(dāng)前前瞻下的所有信息，則需要多對(duì)激光發(fā)射接收管的組合，這就是激光管的布局問(wèn)題［6］。

首先根據(jù)文獻(xiàn)，考慮簡(jiǎn)單易行性，選擇“一”字型布局。其次肯定是要考慮道路的基本信息。根據(jù)要求，道路寬度（含黑線）約為450 mm，黑線寬度25 mm，分布于道路兩側(cè)。由此本文將“一”字型布局進(jìn)行改進(jìn)，即將激光對(duì)集中于兩側(cè)，使得能夠獲得較高的黑線提取精度，如圖3所示。并且激光發(fā)射管的間隔也對(duì)賽道信息的提取具有一定的影響［6］，過(guò)大則容易在間隔區(qū)出現(xiàn)空白現(xiàn)象，過(guò)密則不利于整體對(duì)傳感器個(gè)數(shù)的要求及成本的考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇間隔約18 mm。最后，采用三發(fā)一收的模式采集信息，及3個(gè)發(fā)射管對(duì)應(yīng)一個(gè)接收管，并通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)分時(shí)接收。

圖3 激光管布局圖Fig.3 Distribution for laser tubes

3.3 激光電路的硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 發(fā)射部分電路

圖4為一側(cè)激光發(fā)射部分電路，以其中一組為例，包括激光頭電路、驅(qū)動(dòng)電路、反相電路。激光管的導(dǎo)通端接3 V電源，截止端每3個(gè)為一組，由單片機(jī)信號(hào)控制其分時(shí)點(diǎn)亮，如A1為低電平，則J1～J3亮，反之為高電平，則滅。

如上所述，激光發(fā)射管發(fā)出180 kHz頻率的振蕩波后，必須還要經(jīng)過(guò)三極管放大，方可發(fā)射出激光，因此激光頭的陰極A1需接入SN7452DP。SN7452DP是帶有與非門(mén)的三極管，可以再接74HC04反相器將信號(hào)反相，如圖4所示。一個(gè)SN7452DP有兩組三極管放大，則左右兩側(cè)激光管A1～A6需要3片SN7452DP，且需要2片74HC04反相A1～A6共6路信號(hào)。

如此，單片機(jī)引腳PA0～PA5用以控制左右兩側(cè)共18個(gè)激光管分時(shí)點(diǎn)亮，若PA0～PA5為低電平，則激光管點(diǎn)亮。

圖4 激光發(fā)射部分電路（以一組3個(gè)激光頭為例）Fig.4 Electrical circuit of laser emission（take a group of 3 lasers for example）

3.3.2 接收部分電路

圖5 激光管接收電路Fig.5 Receiving circuit of laser tubes

圖5為左側(cè)激光接收電路，加上右側(cè)共6路信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)引腳PB0～PB6。當(dāng)激光照射到白色區(qū)域，接收管接收同頻率光，則光敏管導(dǎo)通，PB0～PB6為高電平，反之為低電平。其中，PB0對(duì)應(yīng)左側(cè)J1、J4、J7的激光管反射情況，PB1對(duì)應(yīng)左側(cè)J2、J5、J8的激光管反射情況，PB2對(duì)應(yīng)左側(cè)J3、J6、J9的激光管反射情況，PB3～PB5分別對(duì)應(yīng)右側(cè)激光管的反射情況，如圖所示。如此則在硬件上實(shí)現(xiàn)了激光路徑識(shí)別。

硬件PCB布局可參照?qǐng)D3，由于PA0控制激光發(fā)射管J1、J2、J3，在布局時(shí)，J1、J2、J3每隔兩個(gè)激光管布局，即單片機(jī)一個(gè)引腳控制3個(gè)位置的激光管發(fā)射激光，從而提高路徑識(shí)別的分辨率。

4 激光路徑識(shí)別的程序設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

在主程序里，先是各參數(shù)初始化，單片機(jī)各項(xiàng)功能初始化，而后就是采用定時(shí)中斷的方式，每10 ms一個(gè)中斷，取讀取并識(shí)別路徑信息，而后根據(jù)路徑信息調(diào)用舵機(jī)控制程序調(diào)整方向，調(diào)用電機(jī)控制程序調(diào)整速度。

4.2 路徑采集設(shè)計(jì)

由于是三發(fā)一接的模式，因此如果需要讀取所有的激光頭的反射信息，需要三輪的讀取操作，并且將讀取信息根據(jù)激光頭排列依次存入相應(yīng)的存儲(chǔ)位置后，而后根據(jù)所得的信息提取黑線。

如流程圖6所示，每10 ms一個(gè)中斷用來(lái)讀取一輪激光頭信息，并將信息存儲(chǔ)在相應(yīng)數(shù)組空間里，30 ms后一排共18個(gè)激光頭的信息即被存儲(chǔ)在數(shù)組a［1］～a［9］，a［11］～a［19］，且當(dāng)為黑線信息時(shí)，賦值±2n用以區(qū)別不同位置的黑線信息。

表1 三組激光頭采集數(shù)據(jù)記錄表格Tab.1 Record of data collected by laser sensor in three teams

圖6 激光路徑識(shí)別算法流程圖Fig.6 Flow chart of algorithm for path recognition of laser

之后，在主程序中可調(diào)用黑線提取子程序。先分左右側(cè)，如左側(cè)有標(biāo)記，則表示黑線在左側(cè)，若右側(cè)有標(biāo)志，則表示黑線在右側(cè)，而后在左右側(cè)分區(qū)段討論黑線位置。例如，如果記錄的黑線信息出現(xiàn)在-20～-23以及20～23，此時(shí)意味在直道部分；如果記錄的黑線信息出現(xiàn)在-23～-25且右側(cè)區(qū)域無(wú)黑線時(shí)，此時(shí)意味著賽道開(kāi)始左彎，需要給控制舵機(jī)的PWM寄存器賦值并調(diào)用舵機(jī)PID子程序，使舵機(jī)相應(yīng)左擺?？梢钥闯觯诖硕纬绦蚓帉?xiě)中，區(qū)段越細(xì)化則分辨率越高。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文中所設(shè)計(jì)的硬件電路結(jié)合本文所提的路徑提取算法，應(yīng)用在智能車(chē)上，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。本文方法電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)信息快，最大的優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)易于處理。然而，激光傳感器本身所帶有的缺點(diǎn)，如易受外光源干擾、受限于道路信息、易損壞等。因此可以考慮使用其他路徑獲取方法，而將激光作為一種輔助檢測(cè)手段，去檢測(cè)道路中的路障等額外道路信息。

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［2］卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝貝，等.學(xué)做智能車(chē)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

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Algorithm and realization of path recognition based on laser sensor

WANG Ling-ling1，SUN Yan-li2，WANG Kang3
（1.Department of Control Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China；2.Department of Basic Experiment，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China；3.Department of Strategic Missile Engineering，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

In the research of intelligent vehicle，laser sensor was widely used to identify the path because of its high precision and high real-time performance.In this paper，the electric circuit of laser sensor was designed to identify the parameters of specific path，and under this sensor distribution，a kind of algorithm was proposed to recognize the information of path accurately.It was demonstrated that this method was feasible and had higher accuracy.

laser sensor；path recognition；layout of hardware；algorithm of software

TN247

A

1674－6236（2016）04-0026-03

2015-03-15 稿件編號(hào)：201503202

王玲玲（1984—），女，安徽銅陵人，碩士，講師。研究方向：自動(dòng)控制原理與檢測(cè)技術(shù)。