基于離散布置光電傳感器的連續(xù)路徑識(shí)別算法

　　引言

　　全國高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)受國家教育部委托，舉辦第一屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能車邀請(qǐng)賽。在智能車賽事中，路徑識(shí)別方法主要有兩大類，一類是依靠紅外光電傳感器，一類是依靠攝像頭。紅外光電傳感器以其體積小、價(jià)格低廉、安裝靈活方便且不受環(huán)境可見光干擾等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　對(duì)于該類傳感器來說，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。因此，基于這個(gè)原理可以提出一種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