一種光電傳感和路徑記憶的智能車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

智能車(chē)的誕生為人類(lèi)提供了一種全新的緩解城市交通擁堵、提高車(chē)輛安全性的交通工具。在眾多的智能車(chē)導(dǎo)航方案中，視覺(jué)導(dǎo)航由于與人類(lèi)的駕駛方式最為接近，成為智能車(chē)研究熱點(diǎn)之一。目前，視覺(jué)導(dǎo)航方法在高速公路環(huán)境中已經(jīng)獲得了初步成功，這類(lèi)環(huán)境結(jié)構(gòu)化程度較高，道路曲率有限、路況相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，隨著城市環(huán)境智能車(chē)研究的興起，視覺(jué)導(dǎo)航面臨了新的挑戰(zhàn)。城市環(huán)境中的道路不僅種類(lèi)多，而且轉(zhuǎn)彎半徑大，常常會(huì)因視野有限而導(dǎo)致道路跟蹤失敗。本文將從該智能車(chē)總體方案、路徑識(shí)別方案選擇、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制及路徑記憶算法等方面進(jìn)行介紹。
　　智能車(chē)總體方案
　　智能車(chē)系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC68S912DP256為核心，由電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊、控制參數(shù)選擇模塊、單片機(jī) 模塊等組成，如圖1所示。智能車(chē)系統(tǒng)工作電壓由+1.6V、+5V、7.2V三個(gè)系統(tǒng)混合組成，其中7.2V用于給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)供電，5V給車(chē)速傳 感器、MCU以及光電傳感器接收管供電，1.6V給發(fā)光管供電。為了在線控制參數(shù)的調(diào)整方便，還設(shè)置了一個(gè)控制參數(shù)選擇模塊，可以通過(guò)幾個(gè)按鍵的設(shè)置，調(diào) 用不同的程序或控制參數(shù)，以適應(yīng)不同場(chǎng)地條件的要求。
　　
　　圖1 智能車(chē)總體結(jié)構(gòu)
　　智能車(chē)的工作模式是：光電傳感器探測(cè)賽道信息，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)當(dāng)前車(chē)速，電池電壓監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)電池電壓，并將這些信息輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)控制算法對(duì)賽車(chē)發(fā)出控制命令，通過(guò)轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
　　路徑識(shí)別方案選擇與電路設(shè)計(jì)
　　路徑識(shí)別方案是首先需要確定的，主要有以下幾個(gè)問(wèn)題。
　　*光電識(shí)別還是攝像頭識(shí)別;
　　*傳感器如何排列？間隔多大、形狀如何、單排還是雙排;
　　*傳感器可向前探測(cè)的遠(yuǎn)度;
　　*傳感器信號(hào)采用數(shù)字式還是模擬式;
　　*電路上如何實(shí)現(xiàn)。
　　由于光電識(shí)別方案簡(jiǎn)單可靠，因此本文采用了光電識(shí)別方案。
　　數(shù)字式光電識(shí)別與模擬式光電識(shí)別
　　光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等;也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。
　　模擬式光電傳感器從理論上可以大大提高路徑探測(cè)精度。模擬式光電傳感器的發(fā)光和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水 平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高（具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān)），如圖2所示。
　　
　　圖2 傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖
　　因此，只要掌握了傳感器電壓-偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線的距離（而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線上），進(jìn)而獲得車(chē)身縱軸線相對(duì)路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。
　　根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，可以將路徑探測(cè)的精度提高到1mm.這樣傳感器采集的信息就能保證了單片機(jī)可以獲得精確的賽道信息，從而為提高賽車(chē)的精確控制提供了保證。
　　雙排排列與前瞻設(shè)計(jì)
　　本文開(kāi)發(fā)了智能車(chē)性能仿真平臺(tái)［2］，對(duì)傳感器的布局進(jìn)行了深入研究［3］。由于轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電機(jī)和車(chē)都是高階慣性延遲環(huán)節(jié)，從輸入到輸出需要一定的時(shí)間， 越早知道前方道路的信息，就越能減小從輸入到輸出的滯后。檢測(cè)車(chē)前方一定距離的賽道就叫前瞻，在一定的前瞻范圍內(nèi)，前瞻越大的傳感器方案，其極限速度就會(huì) 越高，其高速行駛過(guò)程中對(duì)引導(dǎo)線的跟隨精度也相對(duì)較高，系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能較好。因此路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì)成抬起與地面形成一個(gè)夾角，前排傳感器用于前瞻，后 排傳感器對(duì)賽道始點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算車(chē)身縱軸線與賽道中心線的偏差斜率，以利于更好地調(diào)整車(chē)輛的姿態(tài)。