基于離散布置光電傳感器的連續(xù)路徑識(shí)別算法

摘要： 提出了一種基于間隔布置紅外光電傳感器的連續(xù)路徑偏差識(shí)別算法，消除了傳感器間隙的“盲區(qū)”， 為控制的流暢性提供了可能。
關(guān)鍵詞：無人車；導(dǎo)航；光電傳感；路徑識(shí)別

引言

　　對(duì)于紅外光電傳感器來說，相應(yīng)于不同的路面條件(主要是黑白度)，接收管接收到地面漫反射紅外線后其兩端電壓將有所不同，即傳感器接收管正對(duì)白色路面，則其電壓較高，若正對(duì)黑色的路徑標(biāo)記線，則電壓較低?；诖嗽砜梢蕴岢鲆环N比較常見的路徑離散識(shí)別算法：通過普通I/O端口將接收管電壓讀入單片機(jī)，根據(jù)端口輸入的高低電平邏輯來判斷該傳感器是否處于路徑標(biāo)記線上方，再篩選出所有處于標(biāo)記線上方的傳感器，便可以大致判斷此時(shí)車身相對(duì)道路的位置，確定路徑信息。

　　這種離散算法簡(jiǎn)便易行，對(duì)硬件及算法要求都比較低，在傳感器數(shù)目較多的情況下也可以實(shí)現(xiàn)較高的識(shí)別準(zhǔn)確性。但它的一個(gè)致命缺陷在于路徑信息只是基于間隔排布的傳感器的離散值，對(duì)于兩個(gè)相鄰傳感器之間的“盲區(qū)”無法提供有效的距離信息，因此在傳感器數(shù)目受到限制的智能車賽事中，其路徑識(shí)別精度極大地受制于傳感器數(shù)目及其間距。

　　即使傳感器數(shù)目不受限制，路徑識(shí)別精度足夠高，離散路徑識(shí)別算法仍有其難以克服的固有缺陷。由于離散算法得到的路徑信息為離散值，如果直接應(yīng)用到轉(zhuǎn)向及車速控制策略中，勢(shì)必造成轉(zhuǎn)向及車速調(diào)節(jié)的階躍式變化，這將會(huì)對(duì)賽車的性能產(chǎn)生以下不利影響：其一，轉(zhuǎn)向及車速控制僵硬，對(duì)路徑變化反應(yīng)不靈敏，同時(shí)易產(chǎn)生超調(diào)及振蕩現(xiàn)象；其二，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角相對(duì)于路徑為階躍式延遲響應(yīng)，對(duì)于追求高速性能的高車速短決策周期控制策略來說，很可能因?yàn)槎鏅C(jī)響應(yīng)不及而造成控制失效。

　　為了解決以上問題，一方面可以從路徑識(shí)別算法上著手，尋找識(shí)別精度高，不受傳感器數(shù)目限制，識(shí)別信息連續(xù)的路徑識(shí)別算法；另一方面也可以從控制算法上著手，尋找基于離散路徑信息的連續(xù)控制算法。本文著眼于第一條思路，提出一種將有限間隔排布傳感器采集的數(shù)據(jù)連續(xù)化的方法，來實(shí)現(xiàn)連續(xù)路徑識(shí)別。

光電傳感器特性

　　該連續(xù)化方法主要是建立在對(duì)光電傳感器特性的深入研究的基礎(chǔ)上。

　　事實(shí)上，紅外光電傳感器特性并非如前文所述那樣簡(jiǎn)單(白區(qū)高電壓，黑線低電壓)，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高，(具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān))，
　　如圖1所示。

　
圖1 傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖

　　因此，只要掌握了傳感器電壓—偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓上的大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線的距離(而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線上)，進(jìn)而獲得車身相對(duì)路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。

連續(xù)路徑識(shí)別算法

　　算法總流程框圖如圖2所示，分為光電傳感器特性測(cè)定、比賽開始前預(yù)標(biāo)定、正式比賽三個(gè)步驟。

　
圖2 連續(xù)路徑識(shí)別算法總流程圖

傳感器特性測(cè)定

　　傳感器電壓—偏離距離曲線的測(cè)定是實(shí)現(xiàn)連續(xù)路徑識(shí)別的基礎(chǔ)，需在軟件調(diào)試階段預(yù)先完成。以下將以一套實(shí)際設(shè)計(jì)的傳感器為實(shí)例，說明曲線測(cè)定的過程。
傳感器組參數(shù)如表1所示?！?/P>

　
表1 傳感器組參數(shù)
*：傳感器平面與地面夾角

預(yù)標(biāo)定

　　考慮到賽道差異以及傳感器溫漂對(duì)傳感器電壓整體變化產(chǎn)生的影響，每次賽車出發(fā)前需要進(jìn)行賽道預(yù)標(biāo)定，從而為下面算法路徑識(shí)別部分中的歸一化處理提供準(zhǔn)確的歸一化基本參數(shù)。

　　在標(biāo)定過程中，賽車處于停車狀態(tài)，但傳感器及其電壓A/D轉(zhuǎn)換通道仍在工作，單片機(jī)不斷記錄讀入的電壓值。在賽道上移動(dòng)賽車使其所有傳感器均能掃過白色的路面以及黑色的賽道標(biāo)記線，這樣單片機(jī)就能記錄下在該賽道上道路傳感器的電壓最大值(白區(qū)電壓)以及最小值(黑區(qū)電壓)，為算法中的歸一化處理提供基本參數(shù)。

路徑識(shí)別

　　路徑識(shí)別(即路徑信息獲取)為控制算法的核心內(nèi)容，各步驟在單個(gè)決策控制周期內(nèi)完成。首先，在每個(gè)決策控制周期中，通過A/D轉(zhuǎn)換將傳感器電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量讀入單片機(jī)中。然后，利用在標(biāo)定過程中得到的傳感器電壓最大、最小值將得到的傳感器電壓進(jìn)行歸一化處理。下面需要確定能夠用于確定路徑信息的有效傳感器。接著，就需要調(diào)用傳感器特性曲線參數(shù)進(jìn)行路徑信息計(jì)算。最后，為了能夠提高路徑信息的準(zhǔn)確性，減小單個(gè)傳感器探測(cè)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的誤差，可以將根據(jù)三個(gè)有效傳感器計(jì)算得到的三個(gè)偏移距離取平均，得到較為準(zhǔn)確的路徑信息。       

　　值得注意的是，這樣得到的路徑信息是車身中心偏移路徑標(biāo)記線的距離，是一個(gè)連續(xù)變化的量，不但能在傳感器處于賽道標(biāo)記線正上方時(shí)探測(cè)到賽道，也能在傳感器偏移標(biāo)記線時(shí)給出具體的偏移距離，因此消除了傳感器間隙的“盲區(qū)”，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的路徑識(shí)別。

問題及展望

　　連續(xù)路徑偏差識(shí)別算法比起普通離散算法來說，不但具有定位精確、響應(yīng)連續(xù)的特點(diǎn)，而且從理論上來說連續(xù)算法可以在任意數(shù)目傳感器配置的控制系統(tǒng)中都保證較好的路徑識(shí)別效果，為控制的流暢性提供了可能。

　　同時(shí)需要指出的是，采用該算法時(shí)硬件設(shè)計(jì)上需要注意一些相關(guān)問題：