戚玉婕

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009)

智能車也稱無人車，是一個(gè)集環(huán)境感知規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。1953年，世界上第一臺無人駕駛牽引車誕生，這是一部采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動導(dǎo)向車。如今，隨著傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人駕駛車發(fā)展也越來越快。智能車的光學(xué)傳感器模塊起到了至關(guān)重要的作為。光學(xué)傳感器將獲得的道路信息、測速傳感器將現(xiàn)行車速信息傳遞至系統(tǒng)，系統(tǒng)對獲得的圖像和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，經(jīng)過特定的控制算法計(jì)算得出最佳速度和舵機(jī)轉(zhuǎn)角，這是智能車系統(tǒng)的基本工作原理。

傳感器是智能車的“眼睛”，必須能夠真實(shí)、快速地反饋賽道信息。光電傳感器和攝像頭是兩種工業(yè)應(yīng)用最廣泛的光學(xué)傳感器。光電傳感器包括紅外傳感器、激光傳感器等，廣泛應(yīng)用于無人生產(chǎn)線，自動巡邏等領(lǐng)域;攝像頭則廣泛應(yīng)用于汽車安全的智能技術(shù)中，如視覺增強(qiáng)系統(tǒng)、前照燈自動調(diào)整系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向監(jiān)視系統(tǒng)等。本文結(jié)合我校開展智能車設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，介紹了智能車設(shè)計(jì)中用到的光電傳感器和攝像頭，并比較兩者的性能差別。

1 光電傳感器智能車道路識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光電傳感器(反射式)的光源有很多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管和激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，識別效果和工作環(huán)境有一定限制;而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾，但價(jià)格較貴。在智能車系統(tǒng)中，常用的反射式光電傳感器包括紅外反射型和激光反射型兩種。

1.1 紅外反射式光電傳感器的設(shè)計(jì)

紅外反射式光電傳感器檢測路面信息的原理是由光外線發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，照射地面收集道路信息，之后反射到接收管。其關(guān)鍵原理在于紅外線在黑白兩色上的反射系數(shù)不同，黑色道路上大部分紅外線被吸收，而白色道路上的大部分紅外線被反射回接受傳感器。傳感器接口電路將接收到的紅外線光強(qiáng)按正比轉(zhuǎn)化為電壓輸出信號，即可以將黑白路面區(qū)分開來[1]。紅外反射式傳感器由1個(gè)紅外發(fā)射管(發(fā)射器)和1個(gè)光電二極管(接收器)構(gòu)成。測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送到紅外管發(fā)射，光敏管接收反射回來的紅外信號。對于同一張反射面物質(zhì)，反射光強(qiáng)度I是反射面與傳感器之間距離x的非線性函數(shù)，其關(guān)系如圖1所示。傳感器接口電路的輸出電壓Vout與光強(qiáng)I成正比。對于特定的距離x，設(shè)定一個(gè)閾值電壓VX，如果輸出電壓Vout＞VX，則認(rèn)定為白色道路;反之認(rèn)定為黑色道路。閾值電壓VX是距離x的函數(shù)。

圖1 反射光強(qiáng)度與距離的關(guān)系

電路設(shè)計(jì)的過程中，考慮到小車體積不易過大，可選擇漫反射式光電傳感器RPR－220，其電路如圖2所示[2]。反射型光電探測器RPR－220最佳探測距離為6～8mm，如圖3所示，在此區(qū)間其具有最大的反射強(qiáng)度。此傳感器具有較好的濾光性能，其內(nèi)置的可見光過濾器可減小離散光、可見光對傳感器的影響，如圖4所示，其接受器的響應(yīng)波長集中在760nm－850nm左右的紅外波段。實(shí)際電路中為了增加探測距離，減低外界光線中紅外線的影響，使用單片機(jī)的PWM模塊產(chǎn)生38kHz的脈沖信號，對發(fā)射電路和接收電路進(jìn)行調(diào)制，共同構(gòu)成傳感器模塊。在智能車的實(shí)際設(shè)計(jì)中，在智能車的頭部裝備多個(gè)(比如八個(gè))接受傳感器，利用光線的漫反射效應(yīng)，形成線型傳感器陣列，并根據(jù)此多個(gè)傳感器的探測數(shù)據(jù)計(jì)算前方黑路白路的范圍和界限[3]。

另一種可選的紅外傳感器件為FS－359F反射紅外傳感器，采用048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。在約40mA的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾(在有日光燈的房間里)的情況下，探測距離能達(dá)8mm，基本滿足探測距離要求。

1.2 激光傳感器的設(shè)計(jì)

激光傳感器與普通的光電傳感器的基本原理是一樣的，但是其前瞻能力遠(yuǎn)大于普通的光電傳感器，可以達(dá)到40～50cm，是光電傳感器的50倍以上。激光傳感器由發(fā)射部分和接受部分構(gòu)成，如圖5所示。發(fā)射部分(LED2)由一個(gè)振蕩管發(fā)出180kHz頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光;接收部分由一個(gè)相匹配180kHz的接收管(LED1)接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容濾波后直接接入單片機(jī)，檢測返回電壓的高低[4]。智能車設(shè)計(jì)時(shí)，同樣使用多個(gè)激光傳感器并“一”字排布以識別道路[1]。

圖5 激光傳感器發(fā)射與接收電路

1.3 紅外反射式傳感器與激光傳感器的比較

紅外反射式光電傳感器對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量，雖然部分器件會通過頻率調(diào)制、濾波等方法提高其精度，但其測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性仍有待提升。而激光傳感器得益于激光的波長單一性，并且接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見光對反射激光的影響，其信噪比、可靠性均大大高于紅外光傳感器。

在探測距離方面，紅外反射式傳感器反射距離一般在1cm以下，其在自主式尋跡、避障機(jī)器人上的近距離傳感的應(yīng)用是可行的。在智能車的黑白賽道的探測上，必須安裝在小車的底盤下，保證探測環(huán)境都在陰影之下，不易受到日光的干擾同時(shí)保證距離范圍。激光傳感器探測距離可以達(dá)到40～50cm，因而前瞻性更好，更適合用在競速的智能車上，當(dāng)然價(jià)格也較貴。

2 攝像頭智能車道路識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攝像頭采集部分一般由CCD攝像頭、視頻同步信號分離芯片、單片機(jī)處理器等部分構(gòu)成。其中CCD圖像傳感器分為線陣式與面陣式兩種。線陣式圖像傳感器應(yīng)用于系統(tǒng)對檢測精度有特殊要求的場合，一般價(jià)格較昂貴。面陣式圖像傳感器應(yīng)用于普通的視頻檢測，價(jià)格較便宜。一般競賽用智能車選用面陣式CCD圖像傳感器即可，輸出格式為PAL電視信號。為實(shí)現(xiàn)路徑識別，只需提取畫面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，所以一般均使用CCD黑白攝像頭。

具體而言，如圖6，攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，輸出一段連續(xù)的視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端輸出一個(gè)低于最低視頻信號電壓的電平(如0.3V)，保持一段時(shí)間然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，發(fā)出場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。攝像頭一般每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描50場圖像。

圖6 攝像頭視頻信號

對于CCD掃描得到PAL制式信號，需要通過封裝組合電路(PAC)或者模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D等硬件通過計(jì)算提取賽道信息，目前主要有兩種方法:微分邊緣檢測和二值化閾值比較檢測法。微分邊緣檢測即通過對CCD圖像電信信息做微分，取微分值較大部位賽道邊界;此方法對直線賽道原處的處理可信度較低，而且近處也可能出現(xiàn)丟失賽道的邊緣的情況。二值化算法的基本思路，是設(shè)定一個(gè)閾值，對于視頻信號矩陣中的每一點(diǎn)，若像素值大于或等于閾值則判定為白色賽道;反之則判定黑色引導(dǎo)線[5]。

3 結(jié)論

整體來講，光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是采樣速度快，電路設(shè)計(jì)相對簡單。缺點(diǎn)是檢測精度較低，耗電量較大，需要充分調(diào)試后才能提高抗干擾性能。激光傳感器的準(zhǔn)確度、可信度和前瞻距離均有優(yōu)勢，但價(jià)格較高，設(shè)備比較復(fù)雜。攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是檢測前瞻距離遠(yuǎn)，范圍寬，道路參數(shù)多，算法完善，抗干擾性能強(qiáng)。缺點(diǎn)是采樣速度低，需要處理的數(shù)據(jù)量大，電路相對復(fù)雜，不適用在小體積系統(tǒng)中使用，并且還涉及圖象采集、圖象識別等領(lǐng)域。

智能車的設(shè)計(jì)涉及到傳感器、硬件電路及相應(yīng)的算法，鍛煉學(xué)生和教師的綜合應(yīng)用能力。通過對光電傳感器和攝像頭的原理和硬件電路設(shè)計(jì)的介紹，學(xué)校便于在已有的硬件條件下選擇不同的傳感器，進(jìn)行相繼的智能車教學(xué)實(shí)踐和研究。

當(dāng)然，單一傳感器獲得的信息非常有限，由于傳感器受到自身性能的影響也帶有不確定性。隨著傳感器種類的增多，一個(gè)強(qiáng)大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)多傳感器系統(tǒng)。比如電磁傳感器在智能車競賽中特定的賽道上，也有出色的發(fā)揮。另外，同種傳感器可以用于傳感不同的信息，比如在以往的教學(xué)中，我們使用紅外反射式光電傳感器在自動尋跡的往返小車上，以及用于障礙的判斷和主動輪的測速上。在開放性教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)該拓寬學(xué)生的思路，努力創(chuàng)造條件。這樣不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固書本知識，更能增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和社會適應(yīng)能力。

[1]朱海星，方小坤，劉錚.兩種基于單片機(jī)的自動小車設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010(11):22－23.

[2]GHOSAL S，MEHROTRA R.Orthogonal Moment Operators for Subpixel Edge Detection[J].Pattern Recognition，1993，26(2):295－306.

[3]王玲，孫波.紅外光電傳感器自動尋跡智能車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(2):57－60.

[4]嚴(yán)林，甘男，練丁榑.第四屆智能車競賽技術(shù)報(bào)告[J].電子產(chǎn)品世界，2010(8):57－58.

[5]黃嫻，張曦煌，陸冬磊.基于攝像頭的智能車路徑識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)，2010(10):8083－8085.