傳感器與智能車的路徑識別方式

引言

“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽是以HCS12 MCU為核心的大學生課外科技競賽。組委會提供了一個標準的汽車模型、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計的跑道上自動識別道路行駛，其中比賽限制規則之一就是傳感器的總數不能超過16個。由于路徑識別在本智能車控制系統中的重要地位，而路徑識別結果的好壞又與傳感器的選擇、傳感器的數量有直接關系，因此，本文針對應用于路徑識別的傳感器進行討論。

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用于路徑識別的傳感器。光電傳感器物理結構、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，但數據處理方式復雜，將CCD/CMOS圖像傳感器應用于路徑識別是發展趨勢。

紅外傳感器分為數字與模擬兩種。數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行適當組合，可以再現賽道準確信息，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用于系統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。

設計方案

針對第一屆全國大學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，不能對遠方的路徑進行識別，降低了對環境的適應能力，影響了智能車的快速性和穩定性。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[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，調試方便。基于CCD/CMOS傳感器的路徑檢測方法具有探測距離遠的優勢，能夠盡可能早的感知前方的路徑信息進行預判斷，再現路徑的真實信息。與光電傳感器陣列配合使用具有遠近結合的優勢,且具有較高的穩定性和可靠性。但大賽所要求的MC9S12DG128，總線時鐘最高25M，無法實現高級的圖像算法和控制算法,且硬件電路較為復雜。

將以上各方案結合MC9S12DG128 MCU的運算能力，在追求系統簡潔性的基礎上實現智能車控制系統路徑識別的準確性，我們選擇了基于CCD/CMOS圖像傳感器的智能控制方案應用于最終的大賽。