關(guān)于智能車(chē)模起跑線(xiàn)識別方法的設計與實(shí)現

設計思想及算法實(shí)現

車(chē)模與賽道的參數如圖1所示。車(chē)模運行的主要形式主要是車(chē)模的規定的賽道內行進(jìn)，賽道中央有一條25mm寬的黑色引導線(xiàn)。

圖1  車(chē)模及賽道的相關(guān)參數

常用的車(chē)模巡線(xiàn)方案有光電傳感器陣列和CCD探測法等，這里介紹光電傳感器陣列的設計方案。光電傳感器是靠紅外發(fā)射管和紅外接收管組成的傳感器，如圖2所示。

(a)  白色反射面下的紅外反射
(b)  黑色反射面下的紅外吸收
圖2  用于路況識別的紅外光電傳感器

紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)具有一定的方向性，當紅外線(xiàn)照射到白色表面上時(shí)會(huì )有較大的反射，如果距離Dl取值合適，紅外接收管可接收到反射回的紅外線(xiàn)，再利用紅外接收管的電氣特性，在電路中處理紅外線(xiàn)的接收信息；如果反射表面為黑色，紅外光會(huì )被表面將其大部分吸收，紅外接收管就難以收到紅外線(xiàn)。這樣，就可以利用紅外收發(fā)管組成的光電傳感器檢測賽道黑線(xiàn)，實(shí)現智能車(chē)的巡線(xiàn)方案。

光電傳感器陣列布局參數的確定

如圖3所示，光電傳感器陣列參數主要有管距D(管內側距離)，管直徑d，影響光電傳感器陣列參數的主要因素有：

起跑標志線(xiàn)和十字交叉線(xiàn)；
比賽規則對車(chē)模尺寸的限制；
跑道黑色引導線(xiàn)的寬度；
舵機轉彎精度。

根據以上影響因素，建立模型如圖3和圖4所示。

圖3  光電傳感器陣列與起跑線(xiàn)的相對關(guān)系(1)

圖4  光電傳感器陣列與起跑線(xiàn)的相對關(guān)系(2)

起跑標志線(xiàn)和十字交叉線(xiàn)的識別方案要和光電傳感器陣列參數聯(lián)系起來(lái)考慮，所以首先根據起跑標志線(xiàn)的基本識別方法來(lái)確定光電傳感器陣列參數。單片機在處理起跑標志線(xiàn)和十字交叉線(xiàn)的區別時(shí)，較方便的方法就是當光電傳感器陣列經(jīng)過(guò)十字交叉線(xiàn)時(shí)7個(gè)傳感器全檢測到黑線(xiàn)，而經(jīng)過(guò)起跑標志線(xiàn)時(shí)會(huì )有個(gè)別傳感器檢測到白色賽道表面。根據這個(gè)道理，建立模型如圖3和圖4所示，分兩種情況討論：

1) 光電傳感器陣列有2個(gè)傳感器檢測到白色跑道而其它傳感器檢測到黑線(xiàn)時(shí)，如圖3所示；

2) 光電傳感器陣列有1個(gè)傳感器檢測到白色跑道而其它傳感器檢測到黑線(xiàn)時(shí)，如圖4所示。

根據以上兩種情形，在光電傳感器陣列采用等距分布的情況下，可有如(1)式所示的數學(xué)描述。
      (1)
      (2)
      (3)
根據(3)式，做如圖5所示的數軸標注方法來(lái)表示不等式的取值范圍。

圖5中計算所得的D值范圍為(25, 30-1.5d)。但是也要考慮特殊情況。由于車(chē)身在經(jīng)過(guò)起跑標志線(xiàn)時(shí)并不是每次都能保持和跑道引導線(xiàn)平行，所以要考慮當車(chē)身偏斜進(jìn)入起跑線(xiàn)時(shí)的情況會(huì )不會(huì )使(1)式有所變化。如圖5所示。

圖5  數軸標注D的取值范圍

考慮偏斜的角度如圖6所示，車(chē)身偏斜時(shí)在起跑線(xiàn)白色間隙的長(cháng)度f(wàn)=19mm，這樣(1)式的數學(xué)描述中發(fā)生變化的僅僅是圖4所示中的跑道間隙值17.5mm，該值被f代替。帶入新值后用數軸標注法標注D值的區間如圖7所示。比較圖6發(fā)現， A點(diǎn)向B點(diǎn)靠近形成A′點(diǎn)，并沒(méi)有超過(guò)B點(diǎn)；C點(diǎn)和D點(diǎn)分別移動(dòng)到C′點(diǎn)和D′點(diǎn)位置，所以D的取值范圍有擴大的趨勢，這樣，圖5標注的D值范圍符合要求。

圖6  車(chē)身偏斜進(jìn)入起跑標志線(xiàn)的情況

圖7  改變數據后數軸標注D的取值范圍

如果偏斜角度繼續增大，前排光電傳感器陣列不能同時(shí)進(jìn)入起始標志線(xiàn)，這樣在單片機編程算法中很容易處理這種情況。

綜合以上討論，可知：
光電傳感器的管距(管內側距離)D取值范圍為(25, 30-1.5d)；
根據誤差理論，單純從傳感器的外徑尺寸上考慮，其值d越小越好；
本設計中取光電管直徑d值為3mm，D值范圍(25mm，25.5mm)。

實(shí)測效果

根據以上分析的光電傳感器的管距D取值范圍制作車(chē)模的尋線(xiàn)傳感器陣列，對車(chē)模進(jìn)行了大于50次的測試，實(shí)測結果表明：車(chē)模均能正確識別到起跑線(xiàn)。

但是，設計還存在一些問(wèn)題，主要有：
*對D的取值要求苛刻；
*要求紅外傳感器的正常工作率為90%以上。

結語(yǔ)

本文分析了智能車(chē)模比賽中的相關(guān)技術(shù)參數，建立了光電傳感器陣列的數學(xué)模型，確定了陣列參數。這為車(chē)模系統的路況記憶算法提供了基本參考點(diǎn)。本文還分析了起跑線(xiàn)識別方法的實(shí)測效果，實(shí)測結果表明：車(chē)模均能正確識別到起跑線(xiàn)。(因版面有限，本文已作部分刪節，完整版請登陸dyxdggzs.com查閱。)