關(guān)于智能車模起跑線識別方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)思想及算法實(shí)現(xiàn)

車模與賽道的參數(shù)如圖1所示。車模運(yùn)行的主要形式主要是車模的規(guī)定的賽道內(nèi)行進(jìn)，賽道中央有一條25mm寬的黑色引導(dǎo)線。

圖1  車模及賽道的相關(guān)參數(shù)

常用的車模巡線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(shè)計(jì)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)射的紅外線具有一定的方向性，當(dāng)紅外線照射到白色表面上時(shí)會有較大的反射，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，再利用紅外接收管的電氣特性，在電路中處理紅外線的接收信息；如果反射表面為黑色，紅外光會被表面將其大部分吸收，紅外接收管就難以收到紅外線。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，實(shí)現(xiàn)智能車的巡線方案。

光電傳感器陣列布局參數(shù)的確定

如圖3所示，光電傳感器陣列參數(shù)主要有管距D(管內(nèi)側(cè)距離)，管直徑d，影響光電傳感器陣列參數(shù)的主要因素有：

起跑標(biāo)志線和十字交叉線；
比賽規(guī)則對車模尺寸的限制；
跑道黑色引導(dǎo)線的寬度；
舵機(jī)轉(zhuǎn)彎精度。

根據(jù)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的相對關(guān)系(1)

圖4  光電傳感器陣列與起跑線的相對關(guān)系(2)

起跑標(biāo)志線和十字交叉線的識別方案要和光電傳感器陣列參數(shù)聯(lián)系起來考慮，所以首先根據(jù)起跑標(biāo)志線的基本識別方法來確定光電傳感器陣列參數(shù)。單片機(jī)在處理起跑標(biāo)志線和十字交叉線的區(qū)別時(shí)，較方便的方法就是當(dāng)光電傳感器陣列經(jīng)過十字交叉線時(shí)7個(gè)傳感器全檢測到黑線，而經(jīng)過起跑標(biāo)志線時(shí)會有個(gè)別傳感器檢測到白色賽道表面。根據(jù)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時(shí)，如圖4所示。

根據(jù)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(shù)學(xué)描述。
      (1)
      (2)
      (3)
根據(jù)(3)式，做如圖5所示的數(shù)軸標(biāo)注方法來表示不等式的取值范圍。

圖5中計(jì)算所得的D值范圍為(25, 30-1.5d)。但是也要考慮特殊情況。由于車身在經(jīng)過起跑標(biāo)志線時(shí)并不是每次都能保持和跑道引導(dǎo)線平行，所以要考慮當(dāng)車身偏斜進(jìn)入起跑線時(shí)的情況會不會使(1)式有所變化。如圖5所示。

圖5  數(shù)軸標(biāo)注D的取值范圍

考慮偏斜的角度如圖6所示，車身偏斜時(shí)在起跑線白色間隙的長度f=19mm，這樣(1)式的數(shù)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(shù)軸標(biāo)注法標(biāo)注D值的區(qū)間如圖7所示。比較圖6發(fā)現(xiàn)， A點(diǎn)向B點(diǎn)靠近形成A′點(diǎn)，并沒有超過B點(diǎn)；C點(diǎn)和D點(diǎn)分別移動到C′點(diǎn)和D′點(diǎn)位置，所以D的取值范圍有擴(kuò)大的趨勢，這樣，圖5標(biāo)注的D值范圍符合要求。

圖6  車身偏斜進(jìn)入起跑標(biāo)志線的情況

圖7  改變數(shù)據(jù)后數(shù)軸標(biāo)注D的取值范圍

如果偏斜角度繼續(xù)增大，前排光電傳感器陣列不能同時(shí)進(jìn)入起始標(biāo)志線，這樣在單片機(jī)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(nèi)側(cè)距離)D取值范圍為(25, 30-1.5d)；
根據(jù)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(shè)計(jì)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(jù)以上分析的光電傳感器的管距D取值范圍制作車模的尋線傳感器陣列，對車模進(jìn)行了大于50次的測試，實(shí)測結(jié)果表明：車模均能正確識別到起跑線。

但是，設(shè)計(jì)還存在一些問題，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(jié)語

本文分析了智能車模比賽中的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，建立了光電傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型，確定了陣列參數(shù)。這為車模系統(tǒng)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識別方法的實(shí)測效果，實(shí)測結(jié)果表明：車模均能正確識別到起跑線。(因版面有限，本文已作部分刪節(jié)，完整版請登陸m.butianyuan.cn查閱。)