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摘 要：本文针对智能车的路径检测,提出了一种全新的、基于激光扫描原理的实现方案.在介绍激光扫描器工作原理的基础上,结合智能车路径检测的具体要求和特点,给出了硬件电路解决方案以及软件算法设计,实现了大前瞻、高精度的路径检测效果.

关 键 词：智能车；路径检测；激光扫描；飞思卡尔

引言

飞思卡尔智能车比赛的赛道,由白色泡沫材料及其中心的黑色引导线组成,对赛道信息捕获的效果好坏,直接决定着智能车的速度及控制性能.通常采用的路径检测方式,不外乎CCD与光电两种.CCD方案具有先天的优势,不仅能得到赛道的丰富信息,而且可实现远距离的前瞻,对车模重量及稳定性的影响也很小；而光电方案受传感器数量、车模重量及稳定性所限,获得的赛道信息十分有限,前瞻距离也不足,使得使用光电管方案的队伍成绩普遍不如使用CCD方案的队伍.

是否光电方案就真的不可能得到连续的、前瞻性好的信息呢设想如果只用一对光电发射/接收传感器,利用光学装置让发射光线形成一条高速扫描线,就可以得到一行完整的赛道信息,如果有3个这样的装置,即可获得赛道曲率和角度.另外,如果使用能量高度集中的激光作为光源,则检测距离可大大增加.正是基于这种想法,我们想到了利用条码扫描仪中的激光扫描器.

激光扫描器正是利用快速摆动(或旋转)的镜面,反射能量高度集中的激光束,使激光束的出射角度随着反射镜的运动产生连续的变化,从而投射出一条扫描线.虽然只有一个光电检测器和一个光源,但由于反射镜的高扫描频率,使得扫描器几乎可以同时得到一行的图像信息.当然,我们还需要做许多额外工作,才能将条码扫描器应用于路径检测.

　激光扫描器检测基本原理

激光扫描器的基本原理与基于红外路径探测的原理类似,但存在如下不同点：

激光扫描器通常使用波长为650nm的激光管作为光源,能量高度集中,远距离时光束发散角仍然很小,检测距离远且分辨率高,而红外光电检测方案,其光源发射角大,检测距离有限且分辨率低.

激光扫描器增加一个可控的振镜或旋转棱镜,实现动态扫描检测,可以获得一维图像信息,利用多个(通常3个就足够了)一维激光扫描器,可以获得与CCD方案近似的图像信息,而一对红外光电传感器仅能获得一个“像素”信息,要想获得足够的赛道信息,必需足够多的光电传感器,受规则所限的同时还要考虑到车模重量及稳定性,相对于CCD方案,光电方案获得的信息十分有限.

我队所使用激光扫描器原理如下.

光学部分

如图1所示,激光扫描器光学部分包含如下装置：激光二极管、准直透镜、平面镜、凹面镜、滤光片、光敏二极管、振镜.振镜由三部分组成：反射镜、固定于反射镜背面的永磁铁和用于固定反射镜的支架,支架可在一定角度内自由旋转.由激光管发出的光线经准直透镜聚焦后,成为平行光进入平面镜,经平面镜反射后穿过凹面镜中央的小孔,抵达振镜,由于振镜的周期运动改变其角度,故光束由振镜的出射角亦作周期变化,形成扫描线.与此同时,出射光在赛道上的漫反射光线通过振镜镜面,进入凹面镜的聚焦范围,经凹面镜聚焦后的光线,通过中心波长为650nm的滤光片滤除干扰光后,由光敏二极管转换成与光强相对应的光电流,再由后续硬件电路处理.

电路原理

如图2所示,激光扫描器包括以下电路.

控制电路：用于控制和和监视各个模块电路工作,若发生故障,则立即关闭激光管的输出,以避免高能量的激光点光源对人眼造成伤害.

激光管驱动电路：用于驱动激光管发出激光束.由于激光管的输出功率受温度影响较大,故通常在激光管内部设有一个光敏二极管,以监测激光功率.驱动电路使用此光敏二极管的输出信号构成功率闭环控制电路,从而稳定激光管的输出功率.

振镜驱动电路：振镜驱动电路用于驱动电磁线圈产生大小、方向可控的磁力,作用在反射镜背面的永磁铁上,从而控制振镜的往复运行,形成扫描线.同时,振镜驱动电路还输出一个用于指示扫描起始的同步信号,用于后续信息处理.

电流一电压转换电路(I/V转换电路)：光敏二极管所产生的是随光强变化的电流,为便于后续电路处理,设置电流一电压转换电路,将光强转换为电压信号.

二值化：由光强转换得到的电压信号,经过动态阈值比较器,转换成0或1的二值化数字信号,分别指示了条码中的黑线与白区,最后由外部条码解码系统得到条码信息.

硬件电路

电路设计目的

激光条码扫描器输出的信号并不能直接用于赛道路径检测,主要原因如下.

为了准确检测到宽度为mil级的条码,激光扫描器的光源光斑直径非常小,其二值化输出信号对被测物十分敏感,以至于赛道上的黑斑、破损、缝隙等均可能导致错误输出,给后续的处理带来了困难,也大大降低了可靠性.

出于安全考虑,小型激光条码扫描器都使用小功率的半导体激光管,功率通常不会超过5mW,检测距离有限,并且使用时要求光束尽可能与条码面垂直,以获得足够的反射光.为了使小车获得足够的前瞻,我们希望其检测距离能达到70cm左右(自车头开始计),并且为了稳定重心,希望扫描器的安装位置尽可能低,这势必增大扫描线与赛道垂直面问的夹角,扫描器的反射光将大幅减少,使扫描器的检测距离与要求相差甚远.

为了解决这些问题,我们仅利用扫描器的光学系统和振镜驱动电路,自行设计其他附属电路,主要设计如下.

直接从扫描器中的I/V转换电路引出光强信号,结合其扫描同步信号,利用自行设计的电路完成赛道检测的硬件电路部分.

将原扫描器上的小功率激光二极管更换成相同波长、同种封装的大功率激光二极管.我们使用的是50mW的激光二极管,但原先的驱动电路不能与之匹配,故自行设计了激光驱动电路,并稍稍调整激光二极管的安装位置,有意使其偏离准直透镜的焦点位置,从而使扫描线适当加粗,降低扫描器对干扰目标的敏感度.

赛道引导线的基本检测原理

如图3所示,示波器的CHl接扫描同步信号,同步信号一个周期代表着两个扫描周期：高电平部分为从左到右扫描,低电平部分反之.通道CH2为I/V电路输出的光强信号波形,由实验可知,此波形中凹槽的宽度、位置与赛道中央黑色引导线的宽度、位置相对应,改变扫描线与引导线的相对位置,凹槽的位置也相应改变.值得注意的是,随着同步信号的高低电平变化,凹槽的位置呈水平镜像翻转.

实验得出：光强信号的幅值是不稳定的,与赛道的反射率有关：反射率大时,光敏二极管输出的电流相对较大,信号的幅值也相对较高,反之亦然,此外,与引导线对应的波形凹槽部分,其幅度也只有十几毫伏,基于这两种原因,如果简单地使用阈值比较

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