基于激光傳感器的智能車的坡道檢測

閆 浩，張迪洲，李永科

（1.軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003）

基于激光傳感器智能車，利用單個(gè)水平照射的激光傳感器，有效地檢測坡道信息，并針對坡道做出相應(yīng)的控制方案。由于該車模是自動(dòng)循跡的，因此對賽道信息的依靠程度比較高，對傳感器的精度和抗干擾能力要求也比較高。激光傳感器通過調(diào)制發(fā)射避免了自然光對其造成的影響，提高了抗干擾能力。激光傳感器相比于紅外傳感器在作用距離方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)先，因此前瞻距離較大，大大提升了控制效果，而且激光傳感器的接收電路能直接得到二值化后的結(jié)果，省去了中間模數(shù)轉(zhuǎn)換和二值化的過程，采集到的信號返回給單片機(jī)直接是0和1，減少了單片機(jī)的工作量，提高單片機(jī)的整體運(yùn)算速度[1]。但激光傳感器也存在不能克服的問題，正是因?yàn)榧す獾淖饔镁嚯x遠(yuǎn)，也就出現(xiàn)了難以檢測坡道信息的問題。

1 問題描述

激光傳感器的智能車在上坡時(shí)，由于光作用距離的變化以及坡面對光的反射，會(huì)產(chǎn)生干擾信號，導(dǎo)致激光傳感器無法正常識別黑線的位置，最終使車模無法通過坡道[2]。針對這一問題，目前已有多種解決方案，這些方案大體上可以分為兩類，一類是盲過法，另一類是非盲過法。非盲過法過程如下：首先由紅外傳感器采集數(shù)據(jù)，然后對所采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)在黑線附近采得的數(shù)據(jù)會(huì)比干擾信號高，再經(jīng)過簡單的濾波，就能很容易判斷出黑線的位置。但這種方法需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且需要紅外傳感器的參與，還需要設(shè)定閾值進(jìn)行二值化來判斷黑線位置，硬件實(shí)現(xiàn)和算法過程都較為復(fù)雜，且占用較多單片機(jī)的資源。盲過法過程如下：首先由某種坡道傳感器檢測坡道，一旦檢測到立即屏蔽激光傳感器，利用上一時(shí)刻傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，當(dāng)坡道傳感器檢測到車模已經(jīng)通過坡道時(shí)，立即打開激光傳感器，車模進(jìn)入正常行駛狀態(tài)。盲過法相比與非盲過法，主要問題是盲目性太大，但因?yàn)橘惖郎系钠碌来蠖鄶?shù)都在直道上，所以影響不會(huì)很大，也可以通過再加一排紅外傳感器或者作用距離比較近的激光傳感器來克服這個(gè)缺陷。本文主要以盲過法為例進(jìn)行介紹[3]。

2 單激光管坡道檢測方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

激光傳感器的工作原理如圖1所示，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射的激光照射到賽道的白色部分時(shí)，大量光線經(jīng)過漫反射被反射回去，接收管接收到光線，傳送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)為0，當(dāng)激光照射到賽道的黑色部分時(shí)，大量光線被吸收，接收管沒有接收到光線，傳送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)[4]為1。

圖1 激光傳感器原理示意圖Fig.1 Schemes of laser sensor principle

根據(jù)以上傳感器識別賽道的原理，可以把激光管和接收管放置在車模前側(cè)的左邊或右邊，使發(fā)射的激光平行于賽道，如圖2所示，還可以通過調(diào)整激光的作用距離來調(diào)整檢測坡道提前量的大小。

圖2 傳感器安裝示意圖Fig.2 Schemes of sensor installation

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

當(dāng)車模前方?jīng)]有坡道時(shí)，激光平行于賽道，此時(shí)，光線不會(huì)被反射，即接收管不會(huì)接收到光線，單片機(jī)收到的返回值為1。當(dāng)車?？拷碌赖揭欢ň嚯x時(shí)，由于賽道的兩側(cè)是白色部分，激光管又置于車模的兩側(cè)，所以此時(shí)激光照射到賽道的白色部分，光線被反射，接收管接收到光線，單片機(jī)收到的返回值為0。當(dāng)車模處于爬坡狀態(tài)和坡頂時(shí)，光線照射不到賽道，不會(huì)被反射，接收管不會(huì)接收到光線，單片機(jī)收到的返回值為1。當(dāng)車模處于下坡階段時(shí)，光線照射到賽道的白色部分，發(fā)生反射，接收管接收到光線，單片機(jī)收到的返回值變?yōu)?。當(dāng)車模通過坡道后，光線又照射不到賽道，不會(huì)被反射，接收管不會(huì)接收到光線，單片機(jī)收到的返回值為1。具體過程如圖3所示。

圖3 智能車坡道檢測示意圖Fig.3 Schemes of smart car ramp detection

在車模通過坡道的整個(gè)過程中，不難發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)接收到的信號由以下變化過程1-0-1-0-1，共發(fā)生了4次跳變，根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)算法。當(dāng)發(fā)生第一次跳變時(shí)，說明車模前方有坡道，此時(shí)車模進(jìn)入盲過階段，車模按前一狀態(tài)保持運(yùn)動(dòng)，直至單片機(jī)檢測到最后一次跳變?yōu)橹梗唧w程序流程如圖4所示，如此便可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)激光傳感器對坡道的檢測[5]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將該方案應(yīng)用到智能車實(shí)際的賽道檢測算法中，通過實(shí)驗(yàn)，該方案可以提前檢測到跑道，而且提前量可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行調(diào)整。相比于用傾角傳感器和加速度傳感器檢測坡道的方案，該方案既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又能提前檢測出坡道。但應(yīng)用盲過法對車模的機(jī)械要求較高，在通過坡道的過程中不能自行調(diào)整，實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇是否再加一排紅外傳感器或作用距離比較近的激光管來克服這個(gè)不足。

圖4 坡道檢測流程圖Fig.4 Ramp detection flow chart

實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)一些問題，即在車模前部的左側(cè)或右側(cè)放置的激光管如果太靠近地面，則容易把周圍的淺色物品識別為坡道，因此傳感器的放置位置應(yīng)當(dāng)盡可能高一些，或者把激光的功率適當(dāng)調(diào)小，使其作用距離不要太遠(yuǎn)，減小誤判的幾率[6]。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種激光傳感器智能車?yán)脝蝹€(gè)激光管檢測坡道的方法，通過記錄信號跳變次數(shù)，從而得到了智能車通過坡道時(shí)的相關(guān)信息[7]。通過實(shí)驗(yàn)，該方法簡便可行，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，可以提前檢測到坡道，且提前量的大小可以調(diào)整，利用該方案智能車可以順利地通過坡道。

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