傳感器與智能車(chē)路徑識別

摘要： 路徑識別是體現智能車(chē)智能水平的一個(gè)重要標志，而傳感器是智能車(chē)進(jìn)行路徑識別的關(guān)鍵檢測元件。針對智能車(chē)在特殊路徑與傳感器數目限制的條件下的路徑識別，提出了基于紅外傳感器的路徑識別方案與基于圖像傳感器的路徑識別方案，并對兩種方案的應用性能進(jìn)行了比較。通過(guò)將基于面陣圖像傳感器的路徑識別方案應用于智能車(chē)競賽并取得優(yōu)異成績(jì)，驗證了該方案的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞： 路徑識別；智能車(chē)；紅外傳感器；圖像傳感器

引言

“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車(chē)競賽是以HCS12 MCU為核心的大學(xué)生課外科技競賽。組委會(huì )提供了一個(gè)標準的汽車(chē)模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個(gè)能夠自主識別路線(xiàn)的智能車(chē)并在專(zhuān)門(mén)設計的跑道上自動(dòng)識別道路行駛，其中比賽限制規則之一就是傳感器的總數不能超過(guò)16個(gè)。由于路徑識別在本智能車(chē)控制系統中的重要地位，而路徑識別結果的好壞又與傳感器的選擇、傳感器的數量有直接關(guān)系，因此，本文針對應用于路徑識別的傳感器進(jìn)行討論。

圖1 智能車(chē)整體實(shí)物照片
　　
傳感器概述

光電傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器是較為常見(jiàn)的應用于路徑識別的傳感器。光電傳感器物理結構、信號處理方式簡(jiǎn)單但檢測距離近。CCD/CMOS能更早感知前方路徑信息，但數據處理方式復雜，將CCD/CMOS圖像傳感器應用于路徑識別是發(fā)展趨勢。

紅外傳感器分為數字與模擬兩種。數字紅外傳感器硬件電路簡(jiǎn)單但采集路徑信息粗糙，模擬式通過(guò)將多個(gè)模擬紅外傳感器進(jìn)行適當組合，可以再現賽道準確信息，但需占用微處理器較多的AD端口。CCD/CMOS圖像傳感器可分為線(xiàn)陣式與面陣式兩種。線(xiàn)陣式圖像傳感器應用于系統對檢測精度有特殊要求的場(chǎng)合，一般價(jià)格較昂貴。面陣式圖像傳感器應用于普通的視頻檢測，價(jià)格較便宜。對于HCS12單片機的處理能力，在這里只能選用CCD/CMOS圖像傳感器的信號輸出格式為電視信號。
　　
設計方案

針對第一屆全國大學(xué)生智能車(chē)競賽的賽道特色，基于上述對傳感器的說(shuō)明，下面討論紅外傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器的路徑識別方案。

基于反射式紅外傳感器的數字光電傳感器陣列的路徑檢測方法具有較高的可靠性與穩定性，且單片機易于處理。雖然大賽限制傳感器為16個(gè)，但仍不足以解決精度問(wèn)題，而且光電傳感器本身存在著(zhù)檢測距離近的問(wèn)題，不能對遠方的路徑進(jìn)行識別，降低了對環(huán)境的適應能力，影響了智能車(chē)的快速性和穩定性。它利用傳感器對白色和黑色的反射率大小,把最大、最小值之間分為n個(gè)index區間，通過(guò)對各個(gè)傳感器index值的組合基本能夠確定智能車(chē)的位置,從而對位置和行駛方向都能做較精確的控制。但這種方法對識別道路的計算量大，計算時(shí)間較長(cháng)，且檢測距離也不是很遠[1]。

基于圖像傳感器的智能控制，利用CCD/CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)在小車(chē)前方虛擬出24個(gè)光電傳感器，能夠精確地感知智能車(chē)的位置，并且硬件安裝簡(jiǎn)單，調試方便?；贑CD/CMOS傳感器的路徑檢測方法具有探測距離遠的優(yōu)勢，能夠盡可能早的感知前方的路徑信息進(jìn)行預判斷，再現路徑的真實(shí)信息。與光電傳感器陣列配合使用具有遠近結合的優(yōu)勢,且具有較高的穩定性和可靠性。但大賽所要求的MC9S12DG128，總線(xiàn)時(shí)鐘最高25M，無(wú)法實(shí)現高級的圖像算法和控制算法,且硬件電路較為復雜。
將以上各方案結合MC9S12DG128 MCU的運算能力，在追求系統簡(jiǎn)潔性的基礎上實(shí)現智能車(chē)控制系統路徑識別的準確性，我們選擇了基于CCD/CMOS圖像傳感器的智能控制方案應用于最終的大賽。
　　
具體應用

我們采取了基于圖像傳感器的路徑識別方案，其參賽的智能車(chē)的整體實(shí)物照片如圖1所示。邀請賽指定唯一微處理器為Freescale HCS12DG128B16位MCU，128K字節的Flash EEPROM，8K字節的RAM，2K字節的EEPROM，2個(gè)異步串行通信接口(SCI)，2個(gè)串行外圍接口(SPI)，1個(gè)8通道的輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)增強型捕捉定時(shí)器，2個(gè)8通道、10位轉換精度的模數轉換器(ADC)，1個(gè)8通道的脈沖調制器(PWM)，豐富的I/O資源，內部集成PLL鎖相環(huán)，可以提高系統時(shí)鐘工作頻率。然而，S12單片機的上限內部總線(xiàn)頻率25MHz。在此限制條件下，將微處理器的總線(xiàn)時(shí)鐘設定為24MHz。

圖2 LM1881視頻同步分離電路

根據智能車(chē)賽道引導線(xiàn)與其背景的巨大反差的特點(diǎn)，這里只需要選擇具有全電視信號輸出的黑白圖像傳感器即可。由于所選的黑白圖像傳感器為PAL制，故行頻為64ms，場(chǎng)頻20ms，行同步為12ms(行消隱脈沖4.7mS)，場(chǎng)同步脈沖寬度為25個(gè)行周期(2.048 ms)，去掉行同步時(shí)間，則每行的有效信息時(shí)間是52ms。通過(guò)將圖像傳感器輸出的視頻信號接至視頻同步分離芯片LM1881的視頻輸入端，就可以得到行同步、場(chǎng)同步、奇/偶場(chǎng)同步信號等，這里只使用行同步、奇/偶場(chǎng)同步信號作為單片機進(jìn)行視頻AD采集的控制信號。使用LM1881提取視頻信號中的行、場(chǎng)同步信號的電路原理如圖2所示。

處理器MC9S12DG128進(jìn)行AD采樣與轉換的時(shí)間要求，這里使用24MHz的總線(xiàn)速度，這樣每采集一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間大約是2ms，每行的掃描時(shí)間是64ms，去掉行消隱與行同步時(shí)間12ms，每行有效信息時(shí)間為52ms。從數據可靠性與穩定性的角度考慮，我們選擇每行采集24個(gè)點(diǎn)，每場(chǎng)采集200行，但在實(shí)際應用中，每場(chǎng)采取每間隔10行采集一行數據的策略，如此操作就能夠滿(mǎn)足控制系統的精度要求。圖像傳感器每場(chǎng)的數據變換成一個(gè)20行、24列的一個(gè)二維數組。由于微處理器HCS12DG128B的AD默認參考電壓為5V左右，而視頻信號的白電平為1.2V左右、黑電平0.5V左右，為了體現白黑的巨大差異，這里將A/D采集的參考電壓調整為1.5V，從而使得AD采集的正常結果通常是在85～204之間。

結語(yǔ)

本文從傳感器與路徑識別的關(guān)系出發(fā)，討論了紅外傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器識別方案的優(yōu)缺點(diǎn),并優(yōu)選出CCD/CMOS圖像傳感器用于智能車(chē)路徑識別與傳感。通過(guò)將基于面陣CCD/CMOS圖像傳感器的路徑識別方案應用于第一屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車(chē)競賽，并從眾多使用紅外傳感器的參賽隊伍中脫穎而出，證明了該方案較紅外傳感器在路徑識別中更具潛在優(yōu)勢。
　　
參考文獻：
1.黃開(kāi)勝，金華民，蔣狄南，韓國智能模型車(chē)技術(shù)方案分析[J]，電子產(chǎn)品世界，2006(3):150-152.