引言
如何設(shè)計(jì)路徑識(shí)別方案是參賽隊(duì)伍們首先必須面對(duì)的問(wèn)題之一,根據(jù)韓國(guó)比賽情況參賽隊(duì)伍所采用的路徑識(shí)別方案大致可分為兩種：使用光電傳感器和使用CCD攝像頭，其中尤以光電傳感器方案最為常用。本文是基于智能車仿真模型軟件Plastid來(lái)進(jìn)行研究的，該系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)所開(kāi)發(fā)，可針對(duì)不同的賽車、賽道、路徑識(shí)別方案、控制策略等內(nèi)容，進(jìn)行相關(guān)分析。
光電傳感器
本文實(shí)驗(yàn)中采用型號(hào)為SG-2BC的光傳感器，它體積小，便于布置安裝，輸出是模擬量。為了模擬試驗(yàn)的簡(jiǎn)便，本文將傳感器的模擬信號(hào)都處理成數(shù)字量以便于單片機(jī)處理。
對(duì)于傳感器的安裝位置，根據(jù)其輸出與反射距離的關(guān)系（如圖1所示）。為便于單片機(jī)處理，需要將傳感器輸出電流信號(hào)提取出來(lái)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，可以采用采樣電阻或電流-電壓放大器兩種方案。由于本應(yīng)用對(duì)精度要求不是很高，采用了采樣電阻提取電壓的方案。
如圖2所示方案，合理的匹配采樣電阻RL和電壓Vcc，使光電管分壓不小于1.5V，可以使采樣電阻分壓與光電流解藕，忽略采樣電阻的負(fù)載效應(yīng)。外接5V電源時(shí)，采樣電阻可獲得的分壓為0~3.5V，流經(jīng)電流為2mA，所以采樣電阻可取1.7K，為便于調(diào)整使各傳感器一致，可采用2K的可調(diào)電阻。
圖2 采樣電阻提取電壓 圖3 Plastid仿真系統(tǒng)賽車設(shè)置界面
輸入給控制程序，如圖3所示。
布局相關(guān)參數(shù)
有關(guān)傳感器布局的參數(shù)有很多，本節(jié)將主要針對(duì)其中最重要的兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行定性的討論。
1 傳感器間隔
各個(gè)傳感器的布局間隔對(duì)智能車行車是有一定的影響的。根據(jù)本屆邀請(qǐng)賽的賽道規(guī)則，中間黑色導(dǎo)引線的寬度為25mm，因此如果要求傳感器間不出現(xiàn)同時(shí)感應(yīng)現(xiàn)象（即每次采集只出現(xiàn)一個(gè)傳感器值為1），那么傳感器間隔就必須大于25mm。如果將間隔設(shè)計(jì)成小于25mm，從而產(chǎn)生更多的情況，有利于車與賽道偏移距離的判斷。此外，如果間隔過(guò)大，還會(huì)出現(xiàn)另一種情況，即在間隔之間出現(xiàn)空白。
為了便于比較不同的傳感器間隔造成的影響，在Plastid仿真系統(tǒng)中使用相同的控制策略，并且在控制策略中設(shè)定了限制速度（從1m/s按0.5m/s的間隔遞增，直到車出現(xiàn)飛車完成不了單圈為止），賽道也選用韓國(guó)大賽的標(biāo)準(zhǔn)賽道進(jìn)行測(cè)試，仿真周期設(shè)為15ms。整個(gè)控制策略采用最簡(jiǎn)單的分段控制，如圖4中的紅框區(qū)域。仿真得到結(jié)果如圖5所示，根據(jù)仿真的結(jié)果顯示，傳感器間隔對(duì)于過(guò)彎道精確性以及防止飛車的能力有很大的關(guān)聯(lián)。
圖4 智能車控制流程圖 圖5 Plastid仿真結(jié)果
對(duì)于防飛車能力，我們可以用最大限制速度來(lái)衡量。20mm間隔的最大限制速度在3m/s，40mm間隔的最大限制速度則為3.3m/s。經(jīng)過(guò)分析后，我們認(rèn)為這是由于傳感器間隔大造成車的橫向控制范圍較大（40mm的車控制在±13mm內(nèi)，而20mm的則在±7mm內(nèi)），因此它不易造成迷失。
2 徑向探出距離
徑向探出距離是指光電傳感器離車頭的徑向距離。它主要影響智能車的預(yù)測(cè)性能。對(duì)于未知的賽道，如果能早一步了解到前方道路的情況，那么就可以早些做出調(diào)整，從而使車以相應(yīng)最優(yōu)策略通過(guò)賽道。所以，理論上探出距離是越大越好，但是如果距離過(guò)大，智能車可能會(huì)發(fā)生重心偏移，造成行駛不穩(wěn)、振動(dòng)等一系列問(wèn)題。因此，為了既能增加徑向距離，又不引起重心偏移，我們可以采用帶傾角的傳感器安裝方式，如圖6（a）（b）所示。
圖6（b）傳感器間隔20mm和40mm 圖6(a) 傳感器帶傾角安裝示意圖
1 一字型布局
一字型布局是傳感器最常用的布局形式，即各個(gè)傳感器都在一條直線上，從而保證縱向的一致性（如圖7），使其控制策略主要集中在橫向上。對(duì)于不同的間隔選擇，其出現(xiàn)情況數(shù)也相對(duì)不同。本仿真試驗(yàn)采用的是間隔大于25mm 圖7 一字型布局
且兩兩并列的布局方式，這樣在跑車時(shí)可以產(chǎn)生13種不同的情況。
首先，對(duì)于傳感器有輸出值的（即其中有一傳感器照到黑道）情況，則根據(jù)其所在的位置進(jìn)行相應(yīng)控制；其次，對(duì)于迷失情況，可利用之前哪個(gè)傳感器輸出情況來(lái)推斷車此時(shí)進(jìn)入哪一段區(qū)域。這里選用兩兩并列就是為了能明確區(qū)分出具體區(qū)域，如果不這樣排列，則當(dāng)出現(xiàn)迷失時(shí)，將無(wú)法判斷黑道在左邊還是右邊。
2 八字型布局
八字型布局（如圖9）從橫向來(lái)看與一字型類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性。將中間兩傳感器進(jìn)行前置的主要目的在于能夠早一步了解到車前方是否為直道，從而可以進(jìn)行加速。
圖9 八字型布局
對(duì)于智能車能否順利跑完全程，最重要的一點(diǎn)是過(guò)彎道，特別是通過(guò)比較急的彎道的能力。因此為了能夠更早地預(yù)測(cè)到彎道的出現(xiàn)，我們還可以將左右兩端的傳感器進(jìn)行適當(dāng)前置，從而形成“W”型布局。
值得一提的是，由于縱向的排列不一致，就比一字型更增加了多傳感器同時(shí)感應(yīng)的可能性（一字型只可能是所有傳感器同時(shí)感應(yīng)，而八字型則可能出現(xiàn)幾個(gè)傳感器同時(shí)感應(yīng)的現(xiàn)象）。因此，在決定控制策略時(shí)，必須要考慮這種情況，但反過(guò)來(lái)說(shuō)，我們也可以利用這種情況的發(fā)生來(lái)完成一些特定的判斷（比如某彎道角度的確定等），這就需要大家更深入的研究和嘗試了。
其他因素
除了上述內(nèi)容之外，在進(jìn)行傳感器布局時(shí)，還需要注意以下幾個(gè)因素：
首先，大賽規(guī)則對(duì)于賽道的描述有提到“跑道可以交叉，交叉角為90°”，而在起跑點(diǎn)兩邊還分別有長(zhǎng)100mm的起跑線。在比賽時(shí)智能車必須通過(guò)傳感器將這兩種線區(qū)別開(kāi)來(lái)，因此這也是在傳感器布局時(shí)所必須要考慮的問(wèn)題之一。
其次，與韓國(guó)大賽不同，本次大賽可使用至多16個(gè)傳感器（韓國(guó)比賽為8個(gè)），因此在排列上會(huì)有更大的自由性，更可以和其他傳感器（例如CCD等）進(jìn)行配合，從而實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。
最后，由于本文采用的傳感器輸出值經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此根本上來(lái)說(shuō)，整個(gè)智能車的控制必定是不連續(xù)的控制。為了達(dá)到更好的控制效果，可以考慮不將傳感器處理成數(shù)字信號(hào)，從而達(dá)到連續(xù)的控制效果，這也是一個(gè)值得探討和深究的問(wèn)題。
