傳感器與智能車路徑識別

摘要： 路徑識別是體現(xiàn)智能車智能水平的一個重要標(biāo)志，而傳感器是智能車進(jìn)行路徑識別的關(guān)鍵檢測元件。針對智能車在特殊路徑與傳感器數(shù)目限制的條件下的路徑識別，提出了基于紅外傳感器的路徑識別方案與基于圖像傳感器的路徑識別方案，并對兩種方案的應(yīng)用性能進(jìn)行了比較。通過將基于面陣圖像傳感器的路徑識別方案應(yīng)用于智能車競賽并取得優(yōu)異成績，驗證了該方案的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞： 路徑識別；智能車；紅外傳感器；圖像傳感器

引言

“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽是以HCS12 MCU為核心的大學(xué)生課外科技競賽。組委會提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車并在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛，其中比賽限制規(guī)則之一就是傳感器的總數(shù)不能超過16個。由于路徑識別在本智能車控制系統(tǒng)中的重要地位，而路徑識別結(jié)果的好壞又與傳感器的選擇、傳感器的數(shù)量有直接關(guān)系，因此，本文針對應(yīng)用于路徑識別的傳感器進(jìn)行討論。

圖1 智能車整體實物照片
　　
傳感器概述

光電傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器是較為常見的應(yīng)用于路徑識別的傳感器。光電傳感器物理結(jié)構(gòu)、信號處理方式簡單但檢測距離近。CCD/CMOS能更早感知前方路徑信息，但數(shù)據(jù)處理方式復(fù)雜，將CCD/CMOS圖像傳感器應(yīng)用于路徑識別是發(fā)展趨勢。

紅外傳感器分為數(shù)字與模擬兩種。數(shù)字紅外傳感器硬件電路簡單但采集路徑信息粗糙，模擬式通過將多個模擬紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)組合，可以再現(xiàn)賽道準(zhǔn)確信息，但需占用微處理器較多的AD端口。CCD/CMOS圖像傳感器可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，一般價格較昂貴。面陣式圖像傳感器應(yīng)用于普通的視頻檢測，價格較便宜。對于HCS12單片機的處理能力，在這里只能選用CCD/CMOS圖像傳感器的信號輸出格式為電視信號。
　　
設(shè)計方案

針對第一屆全國大學(xué)生智能車競賽的賽道特色，基于上述對傳感器的說明，下面討論紅外傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器的路徑識別方案。

基于反射式紅外傳感器的數(shù)字光電傳感器陣列的路徑檢測方法具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，且單片機易于處理。雖然大賽限制傳感器為16個，但仍不足以解決精度問題，而且光電傳感器本身存在著檢測距離近的問題，不能對遠(yuǎn)方的路徑進(jìn)行識別，降低了對環(huán)境的適應(yīng)能力，影響了智能車的快速性和穩(wěn)定性。它利用傳感器對白色和黑色的反射率大小,把最大、最小值之間分為n個index區(qū)間，通過對各個傳感器index值的組合基本能夠確定智能車的位置,從而對位置和行駛方向都能做較精確的控制。但這種方法對識別道路的計算量大，計算時間較長，且檢測距離也不是很遠(yuǎn)[1]。

基于圖像傳感器的智能控制，利用CCD/CMOS圖像傳感器的特點在小車前方虛擬出24個光電傳感器，能夠精確地感知智能車的位置，并且硬件安裝簡單，調(diào)試方便?；贑CD/CMOS傳感器的路徑檢測方法具有探測距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，能夠盡可能早的感知前方的路徑信息進(jìn)行預(yù)判斷，再現(xiàn)路徑的真實信息。與光電傳感器陣列配合使用具有遠(yuǎn)近結(jié)合的優(yōu)勢,且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。但大賽所要求的MC9S12DG128，總線時鐘最高25M，無法實現(xiàn)高級的圖像算法和控制算法,且硬件電路較為復(fù)雜。
將以上各方案結(jié)合MC9S12DG128 MCU的運算能力，在追求系統(tǒng)簡潔性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能車控制系統(tǒng)路徑識別的準(zhǔn)確性，我們選擇了基于CCD/CMOS圖像傳感器的智能控制方案應(yīng)用于最終的大賽。
　　
具體應(yīng)用

我們采取了基于圖像傳感器的路徑識別方案，其參賽的智能車的整體實物照片如圖1所示。邀請賽指定唯一微處理器為Freescale HCS12DG128B16位MCU，128K字節(jié)的Flash EEPROM，8K字節(jié)的RAM，2K字節(jié)的EEPROM，2個異步串行通信接口(SCI)，2個串行外圍接口(SPI)，1個8通道的輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)增強型捕捉定時器，2個8通道、10位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，1個8通道的脈沖調(diào)制器(PWM)，豐富的I/O資源，內(nèi)部集成PLL鎖相環(huán)，可以提高系統(tǒng)時鐘工作頻率。然而，S12單片機的上限內(nèi)部總線頻率25MHz。在此限制條件下，將微處理器的總線時鐘設(shè)定為24MHz。

圖2 LM1881視頻同步分離電路

根據(jù)智能車賽道引導(dǎo)線與其背景的巨大反差的特點，這里只需要選擇具有全電視信號輸出的黑白圖像傳感器即可。由于所選的黑白圖像傳感器為PAL制，故行頻為64ms，場頻20ms，行同步為12ms(行消隱脈沖4.7mS)，場同步脈沖寬度為25個行周期(2.048 ms)，去掉行同步時間，則每行的有效信息時間是52ms。通過將圖像傳感器輸出的視頻信號接至視頻同步分離芯片LM1881的視頻輸入端，就可以得到行同步、場同步、奇/偶場同步信號等，這里只使用行同步、奇/偶場同步信號作為單片機進(jìn)行視頻AD采集的控制信號。使用LM1881提取視頻信號中的行、場同步信號的電路原理如圖2所示。

處理器MC9S12DG128進(jìn)行AD采樣與轉(zhuǎn)換的時間要求，這里使用24MHz的總線速度，這樣每采集一個點的時間大約是2ms，每行的掃描時間是64ms，去掉行消隱與行同步時間12ms，每行有效信息時間為52ms。從數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性的角度考慮，我們選擇每行采集24個點，每場采集200行，但在實際應(yīng)用中，每場采取每間隔10行采集一行數(shù)據(jù)的策略，如此操作就能夠滿足控制系統(tǒng)的精度要求。圖像傳感器每場的數(shù)據(jù)變換成一個20行、24列的一個二維數(shù)組。由于微處理器HCS12DG128B的AD默認(rèn)參考電壓為5V左右，而視頻信號的白電平為1.2V左右、黑電平0.5V左右，為了體現(xiàn)白黑的巨大差異，這里將A/D采集的參考電壓調(diào)整為1.5V，從而使得AD采集的正常結(jié)果通常是在85～204之間。

結(jié)語

本文從傳感器與路徑識別的關(guān)系出發(fā)，討論了紅外傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器識別方案的優(yōu)缺點,并優(yōu)選出CCD/CMOS圖像傳感器用于智能車路徑識別與傳感。通過將基于面陣CCD/CMOS圖像傳感器的路徑識別方案應(yīng)用于第一屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽，并從眾多使用紅外傳感器的參賽隊伍中脫穎而出，證明了該方案較紅外傳感器在路徑識別中更具潛在優(yōu)勢。
　　
參考文獻(xiàn)：
1.黃開勝，金華民，蔣狄南，韓國智能模型車技術(shù)方案分析[J]，電子產(chǎn)品世界，2006(3):150-152.