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器,不能稳定地检测引导线.通过分析信号波形,我们可以发现引导线信号(即波形中的凹槽部分)的两个特点：电压变化率(dμ/df)最大,分别出现在引导线的两侧；
引导线信号的宽度与实际宽度呈对应关系.
由此,可以利用微分放大电路获得两个大幅度、方向相反的du/dt信号(如CH3所示),再利用两个比较器将两个信号检出(CH4),最后由DGl28的输入捕捉模块测量出脉冲的宽度与位置.
激光驱动电路
大功率半导体激光二极管通常不带有光敏检测管(PD),因此,我们没有使用功率闭环电路,而是采取了一个可调恒流源控制电路,使激光二极管的输出功率能在合适的范围内调节.如图4,电路的核心部分是由LM317L(三端可调稳压器)构成的恒流源电路,其最小输出电流为1.25V/(R22+R10)≈57mA,最大输出电流为1.25V/(R22)≈104mA.恒流电路为激光二极管提供了稳定的驱动电流,保证激光二极管的输出功率符合要求.
此外,为了在待机状态下减少功耗,电路中设计了关闭激光管的功能(由Q2、R21、U3F构成).
信号检测电路
完整信号检测电路如图5,考虑到激光扫描器内的光敏二极管输出信号十分微弱,而我们自行设计的电路与扫描器有一定距离,如果直接将光敏二极管引入到我们的测量电路,会产生较大的干扰,因此,我们从扫描器内的I/V电路的输出引出光强信号,I/V输出电路的阻抗较低,可以有效防止信号被干扰,如果读者无法找到这个信号,可以在离光敏二极管尽可能近的位置,使用微型封装的单运放电路实现一个I/V电路,参考电路如图6.
UOUT等于If×Rf
需要特别指出的是,由于光敏二极管产生的电流极小,应该使用低偏置电流的运放(fA级),例如LMC6462.
光强信号首先经过一个截止频率为34kHZ的二阶RC有源滤波电路,滤除高频信号,降低电路系统对诸如小黑斑、缝隙等干扰目标的敏感度.截止频率的选取与扫描速度有关,扫描速度越高,截止频率应该随之提高,在较低的扫描速度下,还可以进一步降低截止频率,以降低对干扰目标的敏感度.
滤波器的输出信号经过R29送由UIB为核心的微分放大器,这也是路径检测电路的核心,微分放大电路的传递函数为Uo等于-RC(dui/df),dui/dt即为输入电流的变化速率,R等于R47+R44,C等于C18.
R29的作用如下：一是限制微分放大电路的输入电流,防止小幅度的电压阶跃信号被当作引导线信号,调整R29的阻值可以改变输入电流的大小；二是防止微分放大电路的容性输入负载对前级运放电路的影响.稳压二极管D1和D2是用于防止UIB因为输出幅度过大导致运放进入深度饱和状态,影响运放对输入信号的响应能力,原理如下：当运放输出电压超过4.6V时(需要加上D2的正向导通电压0.7V),D1被击穿,将输出幅
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由于我们需要UIB工作在两个象限：对应输入电流变化率为正的上跳变和输入电流变化率为负的下跳变,而电路的工作电压为单电源,因此,我们利用电路中的R32和R34将运放的同相端加上一个12V/2的偏置,这样就可以在两个象限输出信号.图3中的CH2与CH3分别是微分电路输入/输出信号的波形,可以很清楚地观察到微分放大电路的作用.
微分放大电路的输出经过R22和C33滤除可能存在的尖峰脉冲后送入由U4A和U4B构成的比较器,分别将符合幅度条件的上跳变信号和下跳变信号分别检出,并经过U7E和U7B反相器(带施密特整形)送入由D触发器构成的RS触发器,触发器的输出波形见图3中的CH4所示,由于此波形中的脉冲代表了扫描线相对引导线的位置信息,下文将称之为“脉冲信号”.至此硬件电路完成了对引导线的检测与波形处理.
软件实现
将激光扫描器安装在小车的正上方,使扫描线中心点位于车身的轴线上.改变小车轴线距引导线中心的位置y,记下脉冲信号相对于同步信号的偏移位置x,测得一组数据.用最小二乘法拟合可得出y与x的对应关系：
y等于k×(x+ref) (1)
其中直线斜率k与零位偏移ref的值与扫描器安装的位置有关.此外,测量脉冲信号(图3中CH4)宽度,可知此宽度与引导线的宽度成比例关系.
激光扫描器输出两个信号：同步信号与脉冲信号.同步信号用于指示每一个扫描周期的起始位置,而脉冲信号代表了扫描到的引导线信息.因此,可由这两个信号计算出小车当前相对于引导线的位置偏移.
由公式1可知,要得到小车的位置偏移y,必需先确定零位偏移ref及直线斜率k.故在软件中设置自动校准环节：零位校准与斜率校准.具体流程如下：
首先将小车置于赛道中心,程序计算当前的x值,则零位偏移值ref等于-x.然后,将小车平行移至一固定位置y(如引导线右方12cm),程序计算当前的x值,则斜率k等于y/(x+ref).至此校准环节完成.
要计算脉冲信号中心点相对于同步信号中心点的偏移量x,需要得到脉冲信号上升沿时刻SO、下降沿时刻S1,同步信号起始时间t0、同步信号结束时间f1,则有
z等于(t1-t0)/2-(s1-s0)/2 (2)
要获得以上参量,最好方法是利用DGl28的输入捕捉功能(ECT).DGl28总共包括8个输入捕捉通道,当任意通道的捕捉事件发生时,ECT即将当前的计数器值锁存到相应通道的输入捕捉寄存器.可以使用通道0作为同步信号输入端,通道1作为脉冲信号输入端.将通道0,1均设置为中断允许、任意跳变沿捕捉的方式.脉冲信号中断程序流程图如下：
如图7,index用于保存脉冲个数(可能检测到多个目标),每次同步信号发生跳变后index被清零,表示一个扫描周期的开始.脉冲信号产生跳变时,即进入此中断程序,首先读取输入捕捉寄存器的值(即跳变发生的时刻)、之后判断此跳变是否为本次扫描周期内的首次跳变(index是否等于O),若是,且本次跳变为下降沿,则忽略并退出中断；若首次跳变为上升沿,则将此次跳变的时刻存入数组s0[index].假如并非首次跳变,若该跳变为上升沿,则将跳变的时刻存入数组s0[index]；若为下降沿则存入数组s1[index],并将数组索引号index自加,以准备保存下一脉冲.
如图8,同步信号产生跳变时,表示上次扫描周期完成.进入中断程序,首先记下此次跳变的时刻t1,并获知当前为高电平或低电平,用于确定当前扫描方向；计算上次扫描周期内检测到的所有脉冲宽度,由于引导线宽度固定,而污损、缝隙等产生的脉冲往往宽度很小,可以设置一个合适的阈值,将可能存在的干扰脉冲滤除；由公式(2)与公式(1)计算出小车距引导线的偏移量；最后,将f1的值赋予t0,作为下一扫描周期的起始时刻.
结语
至此,激光扫描器实现了路径检测功能,并成功地应用在我们的智能车上.这种开创性的扫描检测方式,带来了大前瞻、连续的路径检测效果,前瞻距离可以超过70cm,检测精度可达到1mm,使光电管方案产生了突破性的进展.若采用多个扫描器组成多条平行的扫描线,则理论上可得到与CCD相媲美的路径检测能.此外,本文介绍的实现原理,也完全适应于CCD方案,CCD的行同步信号相当于本文中的扫描同步信号,CCD输出的模拟视频信号,相当于本文中的光电信号,利用相同的电路原理,配合DGl28的ECT功能,可以用最少的CPU时间开销和内存开销,达到理想的
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