雙排傳感器循跡策略研究

摘要：本文以循跡策略為主要研究對象，以采用雙排傳感器的智能車為例，做出了優化的直線、大彎、S彎等不同道路情況的循跡策略。經實驗證明，此策略緊密結合雙排紅外的特點，發揮出了雙排的優勢，使智能車實現了以穩定為先，并追求極限速度的要求，適應能力強，能在各種賽道上均有出色發揮。

關鍵詞：雙排；傳感器；路徑識別；循跡策略

雙排傳感器的優勢

目前，大多數智能車采用單排傳感器的道路檢測方式，這種方式獲得的道路信息少，對智能車的狀態和道路的狀況都不能很好地區別，造成控制上的麻煩。為了彌補不足，形成了大前瞻的單排傳感器的道路檢測方式，這種方式檢測的距離更遠，能夠更早地判斷出道路的走向，在一定程度上彌補了檢測精度低的缺點，但也無法有效地區分智能車狀態與道路狀況。

比賽的車模可選用攝像頭或傳感器的方式進行道路信息檢測，我們的車模采用的是雙排紅外的循跡方式，采用大前瞻雙排傳感器可以得到更多的賽道信息，更早地采取策略處理，形成更好的行車軌跡。是采用復雜的攝像頭方案的一種替代方式。

可以在直道中實現穩定控制，加速順暢的能力；在s彎中以小曲線的方式前進，減少行進路線和舵機調整次數。在大彎中實現提前轉彎，切內彎的效果。尤其是在轉彎方面，通過前后排共同對彎道的預測，達到延伸物理識別距離的能力，從而做出提前的動作，減少由于檢測距離近而帶來的負面影響，達到上述效果。

傳感器陣列布局

圖1中僅以接受管示意傳感器位置。

布局方式說明

·前排傳感器伸出距離較遠，小車中心偏離黑線后，會在前排傳感器上產生較大偏移量。

·后排傳感器伸出距離較近，小車中心偏離黑線后，會在后排傳感器上產生較小偏移量。

·利用前后排傳感器對小車偏移時不同的敏感度對小車進行控制。

·為了使前后排體現出更明確的分工和采集到更遠處的信息，我們把前排傳感器傾斜約45°角，使前排的前瞻距離更大，更能體現出前排的優勢和特點。

直道識別方式、控制策略

直道識別方式

(1)采用此種方式布局雙排紅外，對于直道的判別方法可有以下5種物理方式，每種方式應用的時機列在表后。

第一種直道情況

在左轉大彎后，出彎時最可能出現的前后排傳感器檢測到黑線時的組合情況。適用于左轉90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機向左轉動較小角度，并在此時采取加速動作，起到彌補前瞻不足的作用。此情況在賽道的s彎出現時，不滿足直道的第二種識別方式，故不會加速。

第二種直道情況

此情況是對第一種情況的再確認，左轉大彎并經過第一種情況后，再經歷此種情況，可確認無誤前方為直道，繼續提升小車的加速能力。控制程序由彎道程序切換到直線穩定程序。

第三種直道情況

此時采取直線穩定控制。由于前兩種情況已經明確識別為直道，此種情況只是增加直道識別的成功率。

第四種直道情況

與第二種情況類似，對第五種情況的再確認，右轉轉大彎并經過第五種情況后，再經歷此種情況，可確認無誤前方為直道，繼續提升小車的加速能力。控制程序由彎道程序切換到直線穩定程序。

第五種直道情況

在右轉大彎后，出彎時最可能出現的前后排傳感器檢測到黑線時的組合情況。適用于右轉轉90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機向右轉動較小角度，并在此時采取加速動作，起到彌補前瞻不足的作用。在賽道的s彎出現時，不滿足直道的第二種識別方式，故不會加速。

(2)直道識別，程序輔助確認

進入彎道后，隨著小車的行進，會發生振蕩，致使出彎時不一定滿足上述5種情況。為了提高直道的識別成功率，增加第二種直道判別方法。兩者同時起作用，滿足第一種后經過最多15ms確認是直道。

程序是循環執行，我們的程序執行頻率是2KHz。采用定時中斷(15ms)的方式，對前排中間3個傳感器(編號為3、4、5)使用3個計數器分別計數，每次執行程序若是其中一個檢測到黑線，相對應的計數器加1。經過計算，15ms內所能計數的最大值為31。我們設定計數的最大值，若在15ms內達到所要求的計數值，就認為是直道，切換直道程序并將計數器清零；若15ms內沒有達到所要求的計數值，計數器清零，重新計數。例如小車為2m／s的速度，小車行進3cm。我們只要判斷2～2.5cm內為直道即可。所以設最大計數值為20～25即認為是直道，跳出彎道程序。

當然也可以采用更嚴格的方法來判斷，只需調整定時中斷的時間和計數值即可。此條件在進入直道后總能滿足，所以作為第一種直道判別方式的補充，保證直道的穩定可靠識別。

直線穩定控制策略

小車出彎后，由于舵機的反應不靈敏，智能車會發生振蕩，隨后才能達到穩定，為了盡早減小振蕩，采用如下方式控制小車出彎后的動作：

在彎道策略中設置標志位，進入直線程序后，識別標志位，對控制舵機轉向的公式采取修正設置。公式為：θ=K₁θ₁+K₂+θ₂；其中θ為最終送給舵機的控制量，θ₁為前排光電傳感器的返回轉角值，θ₂為后排紅外返回轉角值。K₁、K₂分別為前后排傳感器的加權比例值。通常情況下K₁、K₂為1，需要時則改變賦值。

當小車從彎道進入直道并成功識別出直道后，減小K₁的值，由于后排傳感器距離小車的前輪(轉向輪)很近，小車中心偏離黑線時，不會在后排傳感器橫向位置產生很大位移(相對于前排傳感器)，故小車在直線上舵機調整的次數就會明顯減少，直線的穩定性會好。同時，根據前后排不同傳感器的組合，給出不同的轉角策略(在程序中以列表的方式體現)，近一步提高直線的穩定控制能力。