基于激光傳感器的路徑識別算法與實現

王玲玲，孫艷麗，王 康

（1.海軍航空工程學院控制工程系 山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院基礎實驗部 山東 煙臺 264001；3.海軍航空工程學院戰略導彈工程系 山東 煙臺 264001）

基于激光傳感器的路徑識別算法與實現

王玲玲1，孫艷麗2，王 康3

（1.海軍航空工程學院控制工程系 山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院基礎實驗部 山東 煙臺 264001；3.海軍航空工程學院戰略導彈工程系 山東 煙臺 264001）

在智能車研究中，激光頭作為一種高精度、高實時性的傳感器而廣泛應用于識別路徑信息。本文針對具體的賽道參數，設計激光傳感器電路用以實現路徑識別，并提出一種路徑識別算法準確提取路徑信息。經實驗驗證，該方法可行且具有較高精度。

激光傳感器；路徑識別；硬件布局；軟件算法

智能車又叫做輪式移動機器人，是一種集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統，已廣泛使用在科學探索、工業生產等領域［1］。智能車能夠實現自主運行，其中重要的一環是其能夠對周圍環境進行識別并按照預期目的進行行走。目前智能車的識別方式主要有循跡、壁障、圖像處理等，每一種方式又有其優缺點及獨特的應用場合［2-4］。本文主要針對具有黑色引導線并帶有彎道、坡道等特征的白色道路進行路徑識別。

1 需求分析

智能車系統需要在如圖所示的賽道上，通過傳感器采集路徑信息，并經過一定的程序處理，提取出黑線信息，使得智能車能夠循線進行競速賽跑。

通過分析易知，在整個系統中含有兩種閉環控制，首先是循跡，即方向控制，要求能夠通過傳感器采集路徑信息并根據信息自主行駛。其次是競速，即速度控制，根據不同路況進行速度以及方向的改變，使其行駛過程又穩又快。這兩種控制并不是完全獨立的，二者存在耦合關系。例如在遇到彎道時，既需要方向控制改變行駛軌跡，也需要通過速度控制降低車速。文中著重于設計而非系統建模，因此先從能夠完成功能需求的角度完成系統設計，對這種關系的解耦則通過程序上的算法和參數整定來實現。

2 系統硬件設計

為了完成上述的兩種控制任務，整個智能車系統需要如圖1所示的電路。除了基本的人機IO模塊和必備的供電電路，單片機電路充當了邏輯控制單元，轉向電路和電機驅動電路為各自控制里的執行元件，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計

3.1 激光管的原理

根據賽道信息，跑道外鋪以深色幕布，則對于賽道識別傳感器來說，跑道主要區分為白色區域與黑色區域。如果使用激光管作為路徑識別傳感器，激光管發射激光照射跑道，跑道的白色部分與黑色部分具有不同的反射強度，此時根據激光接收管接收到的光線強弱，并設計相應的硬件電路，使得單片機通過接收端口的“0”“1”信息，區分反射的強弱光［5］。

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

由此可見，激光傳感器由兩部份構成，一部分為發射部分，一部分為接收部分。而接收部分之所以能只接收來自發射部分從賽道的反射光，是由于發射部分是由一個振蕩管發出180KHz頻率的振蕩波，而接收部份由一個相匹配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

根據上述的原理，一對激光發射接收管可以獲得一個道路信息，同一時間如果要獲得當前前瞻下的所有信息，則需要多對激光發射接收管的組合，這就是激光管的布局問題［6］。

首先根據文獻，考慮簡單易行性，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。由此本文將“一”字型布局進行改進，即將激光對集中于兩側，使得能夠獲得較高的黑線提取精度，如圖3所示。并且激光發射管的間隔也對賽道信息的提取具有一定的影響［6］，過大則容易在間隔區出現空白現象，過密則不利于整體對傳感器個數的要求及成本的考慮。根據經驗選擇間隔約18 mm。最后，采用三發一收的模式采集信息，及3個發射管對應一個接收管，并通過單片機實現分時接收。

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

3.3 激光電路的硬件設計

3.3.1 發射部分電路

圖4為一側激光發射部分電路，以其中一組為例，包括激光頭電路、驅動電路、反相電路。激光管的導通端接3 V電源，截止端每3個為一組，由單片機信號控制其分時點亮，如A1為低電平，則J1～J3亮，反之為高電平，則滅。

如上所述，激光發射管發出180 kHz頻率的振蕩波后，必須還要經過三極管放大，方可發射出激光，因此激光頭的陰極A1需接入SN7452DP。SN7452DP是帶有與非門的三極管，可以再接74HC04反相器將信號反相，如圖4所示。一個SN7452DP有兩組三極管放大，則左右兩側激光管A1～A6需要3片SN7452DP，且需要2片74HC04反相A1～A6共6路信號。

如此，單片機引腳PA0～PA5用以控制左右兩側共18個激光管分時點亮，若PA0～PA5為低電平，則激光管點亮。

圖4 激光發射部分電路（以一組3個激光頭為例）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為左側激光接收電路，加上右側共6路信號進入單片機引腳PB0～PB6。當激光照射到白色區域，接收管接收同頻率光，則光敏管導通，PB0～PB6為高電平，反之為低電平。其中，PB0對應左側J1、J4、J7的激光管反射情況，PB1對應左側J2、J5、J8的激光管反射情況，PB2對應左側J3、J6、J9的激光管反射情況，PB3～PB5分別對應右側激光管的反射情況，如圖所示。如此則在硬件上實現了激光路徑識別。

硬件PCB布局可參照圖3，由于PA0控制激光發射管J1、J2、J3，在布局時，J1、J2、J3每隔兩個激光管布局，即單片機一個引腳控制3個位置的激光管發射激光，從而提高路徑識別的分辨率。

4 激光路徑識別的程序設計

4.1 總體設計

在主程序里，先是各參數初始化，單片機各項功能初始化，而后就是采用定時中斷的方式，每10 ms一個中斷，取讀取并識別路徑信息，而后根據路徑信息調用舵機控制程序調整方向，調用電機控制程序調整速度。

4.2 路徑采集設計

由于是三發一接的模式，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激光頭排列依次存入相應的存儲位置后，而后根據所得的信息提取黑線。

如流程圖6所示，每10 ms一個中斷用來讀取一輪激光頭信息，并將信息存儲在相應數組空間里，30 ms后一排共18個激光頭的信息即被存儲在數組a［1］～a［9］，a［11］～a［19］，且當為黑線信息時，賦值±2n用以區別不同位置的黑線信息。

表1 三組激光頭采集數據記錄表格Tab.1 Record of data collected by laser sensor in three teams

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

之后，在主程序中可調用黑線提取子程序。先分左右側，如左側有標記，則表示黑線在左側，若右側有標志，則表示黑線在右側，而后在左右側分區段討論黑線位置。例如，如果記錄的黑線信息出現在-20～-23以及20～23，此時意味在直道部分；如果記錄的黑線信息出現在-23～-25且右側區域無黑線時，此時意味著賽道開始左彎，需要給控制舵機的PWM寄存器賦值并調用舵機PID子程序，使舵機相應左擺。可以看出，在此段程序編寫中，區段越細化則分辨率越高。

5 結束語

經實驗驗證，文中所設計的硬件電路結合本文所提的路徑提取算法，應用在智能車上，具有較高的可靠性和穩定性。本文方法電路設計比較簡單，檢測信息快，最大的優點是單片機易于處理。然而，激光傳感器本身所帶有的缺點，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手段，去檢測道路中的路障等額外道路信息。

［1］梁靜.一種基于光電傳感的路徑識別智能車［J］.科學技術與工程，2011，11（1）:39.

［2］卓晴，黃開勝，邵貝貝，等.學做智能車［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］章登鵬，譚彧.巡線導航智能車的路徑優化［J］.計算機工程，2011，37（1）:184-186.

［4］張淑軍，孟慶春，吳檳，等.移動機器人智能尋線導航與策略控制［J］.控制與決策，2005，20（5）：529-532.

［5］張迪洲，李增彥.基于激光傳感器的智能車路徑識別算法研究［J］.電子設計工程，2012，20（18）:51-52.

［6］吳懷宇.大學生智能汽車設計基礎與實踐［M］.北京:電子工業出版社，2008.

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：201503202

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