基于激光傳感器的智能車自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱廣萍

摘要：從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大方面入手，分析基于激光傳感器的智能車自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。通過分析基于激光傳感器芯片制作的自主導(dǎo)航智能車的設(shè)計(jì)原理和方案，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，程序算法設(shè)計(jì)以及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)等四個(gè)方面全面介紹智能車的制作及調(diào)試過程。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比和競賽，表明測速模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及激光傳感器的設(shè)計(jì)和選擇，軟件程序的編寫和算法的選擇有效地實(shí)現(xiàn)了智能車的高速自主導(dǎo)航。

關(guān)鍵詞：激光傳感器；智能車；自主導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1586-03

該車主要由兩個(gè)搖頭伺服電機(jī)和激光傳感器構(gòu)成的道路檢測隨動(dòng)子系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)齒輪構(gòu)成的動(dòng)力子系統(tǒng)，連桿機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)構(gòu)成的轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，速度檢測系統(tǒng)以及以單片機(jī)MC9S12XS128為中心的電路子系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)合數(shù)字PID控制理論完成了智能車自主巡線的功能。

在調(diào)試過程中主要應(yīng)用 LABVIEW 處理無線串口模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)可以使調(diào)試過程更加得心應(yīng)手。

1 硬件-激光傳感器

1.1 激光檢測原理

激光傳感器是使用激光傳感器檢測路面的顏色信息，由激光發(fā)射二極管發(fā)射一定波長的激光，經(jīng)賽道路面反射到接收管（賽道是由一條黑線粘貼在白色板中央制成）。由于激光發(fā)射二極管對(duì)于黑色和白色的反射系數(shù)不同，所以接收到的反射光的強(qiáng)度是不一樣的——激光發(fā)射到黑色路面后大部分光線被吸收，而發(fā)射到白色路面后則可以反射回大部分光線。針對(duì)反射后接收到的信息，將激光特性曲線產(chǎn)生的變化導(dǎo)出為輸出端的電壓變化，就可以區(qū)分路面的顏色信息[1]。圖1為激光傳感器原理圖。

激光傳感器的原理和普通的光電傳感器原理相同，不同的是激光傳感器的前瞻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的光電傳感器，能夠穩(wěn)定在40cm至70cm之間。 組委會(huì)規(guī)定每支車模傳感器數(shù)量不超過16個(gè)，光電傳感器接收單元計(jì)為1個(gè)傳感器，發(fā)射單元不計(jì)算。即便如此，我們的傳感器也不能使用太多的發(fā)射單元，因?yàn)槎鏅C(jī)的靈活性會(huì)隨著其負(fù)載的增大而降低。所以最初我們使用9個(gè)發(fā)射管，3個(gè)接收管，3對(duì)1的模式。后期為了增加分辨率采用12個(gè)發(fā)射管，3個(gè)接收管，4對(duì)1的模式。 激光傳感器分為發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分發(fā)射管按“一”字均勻排布，但是這樣發(fā)射管兩兩之間可能產(chǎn)生干擾，所以我們傳感器發(fā)光采用了分時(shí)點(diǎn)亮的策略。使用一片74LS138，由單片機(jī)控制，一次點(diǎn)亮若干個(gè)激光管[2]。由于接收部分使用的是專用的激光接收管，該接收管在接收相應(yīng)波長和相應(yīng)頻率范圍的光時(shí)效果做好，所以我們將發(fā)射管的頻率調(diào)制成200kHz，并且這樣也能減小外界光線的干擾。為了能更好的接收反射回來的光，可以在接收管上套一個(gè)透鏡，這樣接收管接收效果最好，提高前瞻。

1.2 激光傳感器的組成

2 車模各部分硬件調(diào)整

2.1 前輪調(diào)整

模型車在行駛過程中，主要靠調(diào)整前輪來控制速度和轉(zhuǎn)彎調(diào)速，因此調(diào)整前輪是非常重要的步驟。調(diào)整前輪分為以下3個(gè)步驟：前輪的調(diào)整直接關(guān)系到小車在直道是否順暢，在彎道轉(zhuǎn)向是否靈活。前輪調(diào)整主要從主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束4個(gè)方面著手。以下是具體的調(diào)整：

1） 糾正車輪回力矩的偏轉(zhuǎn)角度。通過實(shí)驗(yàn)測試，該偏轉(zhuǎn)角度越大，模型車的速度越高，但回力矩過大，會(huì)導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)向不靈活，因此把主銷后傾角調(diào)整為2°。

2） 提高車輪轉(zhuǎn)向靈敏度。由于模型車整體重量輕，車的重心非常低，為了使模型車在轉(zhuǎn)彎時(shí)提高靈敏度，將主銷內(nèi)傾角調(diào)整為2°。

3） 減少車輪阻力。車輪在行駛過程中與路面產(chǎn)生摩擦阻力，會(huì)降低模型車速度。兩個(gè)車輪之間是需要設(shè)置成一定的角度，這樣可以使模型車行進(jìn)過程更加平穩(wěn)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，將小車前輪調(diào)成“八”字型，這樣調(diào)整可以使小車轉(zhuǎn)向時(shí)候更加平穩(wěn)[4]。

2.2 重量和重心調(diào)整

重量和重心關(guān)系著小車的極限速度，當(dāng)小車速度達(dá)到一定程度時(shí)，這個(gè)問題尤為突出。

重量方面，我們?cè)诓挥绊懶≤囌Ｐ旭偟那闆r下，盡量減少小車上一些可有可無的配件，并且在做電路板時(shí)，盡量選擇簡單且穩(wěn)定的電路。經(jīng)過這幾步，小車的重量有了明顯的下降。

重心也影響著小車的性能。重心過前，增加轉(zhuǎn)向阻力，引起轉(zhuǎn)向遲滯。另外，如果小車速度很快的情況下，上下坡道的時(shí)候會(huì)造成前輪首先著地，很可能造成小車意外事故。重心過后，則會(huì)使小車前輪抓地不足，造成過彎非常不穩(wěn)定。實(shí)際調(diào)整以重心在減震彈簧固定座處為準(zhǔn)，保持各部分重量均衡。重心還應(yīng)盡量低，在高速情況下，過高的重心會(huì)引起小車側(cè)翻，可通過降低小車底盤高度來降低重心[5]。

2.3 差速器調(diào)整

模型車后輪如果差速器調(diào)整不恰當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)和噪聲過大。首先需要檢查軸的方向是否平直，在螺絲安裝的地方有沒有松動(dòng)。其次就是調(diào)整差速器，恰當(dāng)?shù)慕嵌群退删o度可以提高模型車轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度。另外螺絲在調(diào)整過程中不要上得太緊，因?yàn)樾枰啻握{(diào)試，螺絲上得太緊會(huì)容易導(dǎo)致齒輪滑牙。在調(diào)整過程中，要結(jié)合模型車的重量，反復(fù)調(diào)整幾次，見好就收。差速器也需要適當(dāng)上油，保證其轉(zhuǎn)動(dòng)平滑。

2.4 其它調(diào)節(jié)

1） 模型車靈敏度調(diào)試：可通過車速閉環(huán)調(diào)試的方法來檢測模型車的靈敏度。調(diào)試方式是使用MATLAB記錄模型車由靜止到加速到穩(wěn)速之間的速度值，繪畫出特性曲線。根據(jù)曲線的變化來調(diào)試。

2） 模型車轉(zhuǎn)彎振蕩調(diào)試：為了確保模型車轉(zhuǎn)彎時(shí)不至于翻車或者脫軌，需要計(jì)算轉(zhuǎn)角。但該轉(zhuǎn)角比較難測試出來，因此借鑒了第一屆大賽中一等獎(jiǎng)隊(duì)伍的方法，就是在模型車前輪添加一個(gè)激光發(fā)射電筒，依據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系，計(jì)算出轉(zhuǎn)角。當(dāng)該部分調(diào)試完后，把激光發(fā)射電筒拆卸。

3） 模型車穩(wěn)定性調(diào)試：首先調(diào)試模型車的重心。模型車的重心關(guān)乎驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)向力。因此該部分的調(diào)試采用“懸線法”，以觀察模型車的穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序及算法設(shè)計(jì)是該智能車系統(tǒng)的核心之一，程序設(shè)計(jì)的理念保持簡潔、高效、穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)，切不可僅僅追求某一特殊彎道而忽略整體，同時(shí)要考慮實(shí)驗(yàn)室賽道類型不足，不可只針對(duì)某一賽道類型而設(shè)計(jì)程序。程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改都需綜觀全局，仔細(xì)考慮每一行代碼是否有副作用，整體邏輯是否有矛盾、漏洞以及欠妥之處?？偟膩碚f即控制車模在符合大賽規(guī)則前提下，以最短的時(shí)間跑完整個(gè)賽道并能停在起跑線3M以內(nèi)。

3.1 數(shù)據(jù)的采集

4 結(jié)束語

1） 采用了激光傳感器。普通光電傳感器，如ST188，有效距離最大為30cm，而且容易受到外界光線的干擾。而激光傳感器則不同，其有效距離最大能達(dá)到80cm，由于其接收管只能接受一定頻率和波長范圍內(nèi)的光，所以不容易受到外界光的干擾。

2） 采用了雙搖頭的策略。使用激光傳感器后，小車的前瞻有了明顯的增大，但大的前瞻卻帶來了許多問題。比如在過彎的時(shí)候，激光光斑掃到賽道外面，出現(xiàn)盲區(qū)，這對(duì)小車的行駛是非常不利的。所以我們采用了搖頭這一策略來緩解了這個(gè)問題。另外，大前瞻的激光小車在上坡的時(shí)候，光斑被抬高，也會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)，這樣又帶來了許多不確定因素，于是我們又增加了小前瞻。

3） 采用紅外對(duì)管檢測坡道。采用下排方案后，需要提前檢測坡道，這樣便于傳感器及時(shí)切換下排。所以我們使用對(duì)管來提前檢測坡道。

由于制作時(shí)間倉促，所以該智能車還有一些不足，例如：

1） 早期忽視了機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要性。在智能車制作過程中，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上花費(fèi)時(shí)間較少。當(dāng)小車速度達(dá)到一定程度后，出現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)向不對(duì)稱的問題，這個(gè)問題在最后也未能很好的解決。

2） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能低下，加減速不能及時(shí)響應(yīng)且容易發(fā)熱。

3） 激光模塊功耗過大，整體模塊去干擾性能差。

4） 算法不夠完善，很多不穩(wěn)定性。

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