邱廣萍

摘要：從硬件電路設計和軟件設計兩大方面入手，分析基于激光傳感器的智能車自主導航系統(tǒng)的設計過程。通過分析基于激光傳感器芯片制作的自主導航智能車的設計原理和方案，從機械結(jié)構設計，硬件電路設計，程序算法設計以及調(diào)試經(jīng)驗等四個方面全面介紹智能車的制作及調(diào)試過程。經(jīng)過實驗對比和競賽，表明測速模塊、電機驅(qū)動模塊及激光傳感器的設計和選擇，軟件程序的編寫和算法的選擇有效地實現(xiàn)了智能車的高速自主導航。

關鍵詞：激光傳感器；智能車；自主導航

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1586-03

該車主要由兩個搖頭伺服電機和激光傳感器構成的道路檢測隨動子系統(tǒng)，驅(qū)動電機以及機械傳動齒輪構成的動力子系統(tǒng)，連桿機構以及轉(zhuǎn)向伺服電機構成的轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，速度檢測系統(tǒng)以及以單片機MC9S12XS128為中心的電路子系統(tǒng)構成。結(jié)合數(shù)字PID控制理論完成了智能車自主巡線的功能。

在調(diào)試過程中主要應用 LABVIEW 處理無線串口模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)可以使調(diào)試過程更加得心應手。

1 硬件-激光傳感器

1.1 激光檢測原理

激光傳感器是使用激光傳感器檢測路面的顏色信息，由激光發(fā)射二極管發(fā)射一定波長的激光，經(jīng)賽道路面反射到接收管（賽道是由一條黑線粘貼在白色板中央制成）。由于激光發(fā)射二極管對于黑色和白色的反射系數(shù)不同，所以接收到的反射光的強度是不一樣的——激光發(fā)射到黑色路面后大部分光線被吸收，而發(fā)射到白色路面后則可以反射回大部分光線。針對反射后接收到的信息，將激光特性曲線產(chǎn)生的變化導出為輸出端的電壓變化，就可以區(qū)分路面的顏色信息[1]。圖1為激光傳感器原理圖。

激光傳感器的原理和普通的光電傳感器原理相同，不同的是激光傳感器的前瞻遠遠大于普通的光電傳感器，能夠穩(wěn)定在40cm至70cm之間。 組委會規(guī)定每支車模傳感器數(shù)量不超過16個，光電傳感器接收單元計為1個傳感器，發(fā)射單元不計算。即便如此，我們的傳感器也不能使用太多的發(fā)射單元，因為舵機的靈活性會隨著其負載的增大而降低。所以最初我們使用9個發(fā)射管，3個接收管，3對1的模式。后期為了增加分辨率采用12個發(fā)射管，3個接收管，4對1的模式。 激光傳感器分為發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分發(fā)射管按“一”字均勻排布，但是這樣發(fā)射管兩兩之間可能產(chǎn)生干擾，所以我們傳感器發(fā)光采用了分時點亮的策略。使用一片74LS138，由單片機控制，一次點亮若干個激光管[2]。由于接收部分使用的是專用的激光接收管，該接收管在接收相應波長和相應頻率范圍的光時效果做好，所以我們將發(fā)射管的頻率調(diào)制成200kHz，并且這樣也能減小外界光線的干擾。為了能更好的接收反射回來的光，可以在接收管上套一個透鏡，這樣接收管接收效果最好，提高前瞻。

1.2 激光傳感器的組成

2 車模各部分硬件調(diào)整

2.1 前輪調(diào)整

模型車在行駛過程中，主要靠調(diào)整前輪來控制速度和轉(zhuǎn)彎調(diào)速，因此調(diào)整前輪是非常重要的步驟。調(diào)整前輪分為以下3個步驟：前輪的調(diào)整直接關系到小車在直道是否順暢，在彎道轉(zhuǎn)向是否靈活。前輪調(diào)整主要從主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束4個方面著手。以下是具體的調(diào)整：

1） 糾正車輪回力矩的偏轉(zhuǎn)角度。通過實驗測試，該偏轉(zhuǎn)角度越大，模型車的速度越高，但回力矩過大，會導致車輪轉(zhuǎn)向不靈活，因此把主銷后傾角調(diào)整為2°。

2） 提高車輪轉(zhuǎn)向靈敏度。由于模型車整體重量輕，車的重心非常低，為了使模型車在轉(zhuǎn)彎時提高靈敏度，將主銷內(nèi)傾角調(diào)整為2°。

3） 減少車輪阻力。車輪在行駛過程中與路面產(chǎn)生摩擦阻力，會降低模型車速度。兩個車輪之間是需要設置成一定的角度，這樣可以使模型車行進過程更加平穩(wěn)。通過實驗對比，將小車前輪調(diào)成“八”字型，這樣調(diào)整可以使小車轉(zhuǎn)向時候更加平穩(wěn)[4]。

2.2 重量和重心調(diào)整

重量和重心關系著小車的極限速度，當小車速度達到一定程度時，這個問題尤為突出。

重量方面，我們在不影響小車正常行駛的情況下，盡量減少小車上一些可有可無的配件，并且在做電路板時，盡量選擇簡單且穩(wěn)定的電路。經(jīng)過這幾步，小車的重量有了明顯的下降。

重心也影響著小車的性能。重心過前，增加轉(zhuǎn)向阻力，引起轉(zhuǎn)向遲滯。另外，如果小車速度很快的情況下，上下坡道的時候會造成前輪首先著地，很可能造成小車意外事故。重心過后，則會使小車前輪抓地不足，造成過彎非常不穩(wěn)定。實際調(diào)整以重心在減震彈簧固定座處為準，保持各部分重量均衡。重心還應盡量低，在高速情況下，過高的重心會引起小車側(cè)翻，可通過降低小車底盤高度來降低重心[5]。

2.3 差速器調(diào)整

模型車后輪如果差速器調(diào)整不恰當，會產(chǎn)生抖動和噪聲過大。首先需要檢查軸的方向是否平直，在螺絲安裝的地方有沒有松動。其次就是調(diào)整差速器，恰當?shù)慕嵌群退删o度可以提高模型車轉(zhuǎn)彎時的速度。另外螺絲在調(diào)整過程中不要上得太緊，因為需要多次調(diào)試，螺絲上得太緊會容易導致齒輪滑牙。在調(diào)整過程中，要結(jié)合模型車的重量，反復調(diào)整幾次，見好就收。差速器也需要適當上油，保證其轉(zhuǎn)動平滑。

2.4 其它調(diào)節(jié)

1） 模型車靈敏度調(diào)試：可通過車速閉環(huán)調(diào)試的方法來檢測模型車的靈敏度。調(diào)試方式是使用MATLAB記錄模型車由靜止到加速到穩(wěn)速之間的速度值，繪畫出特性曲線。根據(jù)曲線的變化來調(diào)試。

2） 模型車轉(zhuǎn)彎振蕩調(diào)試：為了確保模型車轉(zhuǎn)彎時不至于翻車或者脫軌，需要計算轉(zhuǎn)角。但該轉(zhuǎn)角比較難測試出來，因此借鑒了第一屆大賽中一等獎隊伍的方法，就是在模型車前輪添加一個激光發(fā)射電筒，依據(jù)三角函數(shù)的關系，計算出轉(zhuǎn)角。當該部分調(diào)試完后，把激光發(fā)射電筒拆卸。

3） 模型車穩(wěn)定性調(diào)試：首先調(diào)試模型車的重心。模型車的重心關乎驅(qū)動力、轉(zhuǎn)向力。因此該部分的調(diào)試采用“懸線法”，以觀察模型車的穩(wěn)定性。

3 軟件設計

程序及算法設計是該智能車系統(tǒng)的核心之一，程序設計的理念保持簡潔、高效、穩(wěn)定、適應性強，切不可僅僅追求某一特殊彎道而忽略整體，同時要考慮實驗室賽道類型不足，不可只針對某一賽道類型而設計程序。程序的設計、調(diào)試、修改都需綜觀全局，仔細考慮每一行代碼是否有副作用，整體邏輯是否有矛盾、漏洞以及欠妥之處?？偟膩碚f即控制車模在符合大賽規(guī)則前提下，以最短的時間跑完整個賽道并能停在起跑線3M以內(nèi)。

3.1 數(shù)據(jù)的采集

4 結(jié)束語

1） 采用了激光傳感器。普通光電傳感器，如ST188，有效距離最大為30cm，而且容易受到外界光線的干擾。而激光傳感器則不同，其有效距離最大能達到80cm，由于其接收管只能接受一定頻率和波長范圍內(nèi)的光，所以不容易受到外界光的干擾。

2） 采用了雙搖頭的策略。使用激光傳感器后，小車的前瞻有了明顯的增大，但大的前瞻卻帶來了許多問題。比如在過彎的時候，激光光斑掃到賽道外面，出現(xiàn)盲區(qū)，這對小車的行駛是非常不利的。所以我們采用了搖頭這一策略來緩解了這個問題。另外，大前瞻的激光小車在上坡的時候，光斑被抬高，也會出現(xiàn)盲區(qū)，這樣又帶來了許多不確定因素，于是我們又增加了小前瞻。

3） 采用紅外對管檢測坡道。采用下排方案后，需要提前檢測坡道，這樣便于傳感器及時切換下排。所以我們使用對管來提前檢測坡道。

由于制作時間倉促，所以該智能車還有一些不足，例如：

1） 早期忽視了機械結(jié)構的重要性。在智能車制作過程中，在機械結(jié)構上花費時間較少。當小車速度達到一定程度后，出現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)向不對稱的問題，這個問題在最后也未能很好的解決。

2） 電機驅(qū)動性能低下，加減速不能及時響應且容易發(fā)熱。

3） 激光模塊功耗過大，整體模塊去干擾性能差。

4） 算法不夠完善，很多不穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1] 趙繼聰，周盼，秦魏.激光傳感器原理及其應用[J].科技致富向?qū)В?011，9（1）：101-102.

[2] 臧杰，閻巖.汽車構造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 張偉.Protel DXP高級應用[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[4] 周斌，李立國，黃開勝. 智能車光電傳感器布局對路徑識別的影響研究[J].電子產(chǎn)品世界，2006，9（5）：139-140.

[5] 安鵬，馬偉.S12單片機模塊應用及程序下載調(diào)試[J].電子產(chǎn)品世界.2006，28（12）：162-163.

[6] 科昊.PID控制原理——PID調(diào)節(jié)器分析[EB/OL]. [2012-11-07]. http：//www.gongkong.com/company/paper/2-b38e-27c3638fe52f.htm.