基于連續(xù)控制算法實(shí)現(xiàn)光電傳感器的連續(xù)路徑識(shí)別

引言

全國(guó)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)受國(guó)家教育部委托，舉辦第一屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能車邀請(qǐng)賽。在智能車賽事中，路徑識(shí)別方法主要有兩大類，一類是依靠紅外光電傳感器，一類是依靠攝像頭。紅外光電傳感器以其體積小、價(jià)格低廉、安裝靈活方便且不受環(huán)境可見光干擾等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于該類傳感器來(lái)說(shuō)，相應(yīng)于不同的路面條件（主要是黑白度），接收管接收到地面漫反射紅外線后其兩端電壓將有所不同，即傳感器接收管正對(duì)白色路面，則其電壓較高，若正對(duì)黑色的路徑標(biāo)記線，則電壓較低。因此，基于這個(gè)原理可以提出一種比較常見的路徑離散識(shí)別算法：通過(guò)普通I/O端口將接收管電壓讀入單片機(jī)，根據(jù)端口輸入的高低電平邏輯來(lái)判斷該傳感器是否處于路徑標(biāo)記線上方，再篩選出所有處于標(biāo)記線上方的傳感器，便可以大致判斷此時(shí)車身相對(duì)道路的位置，確定路徑信息。

這種離散算法簡(jiǎn)便易行，對(duì)硬件及算法要求都比較低，在傳感器數(shù)目較多的情況下也可以實(shí)現(xiàn)較高的識(shí)別準(zhǔn)確性。但它的一個(gè)致命缺陷在于路徑信息只是基于間隔排布的傳感器的離散值，對(duì)于兩個(gè)相鄰傳感器之間的“盲區(qū)”無(wú)法提供有效的距離信息，因此在傳感器數(shù)目受到限制的智能車賽事中，其路徑識(shí)別精度極大地受制于傳感器數(shù)目及其間距。

即使傳感器數(shù)目不受限制，路徑識(shí)別精度足夠高，離散路徑識(shí)別算法仍有其難以克服的固有缺陷。由于離散算法得到的路徑信息為離散值，如果直接應(yīng)用到轉(zhuǎn)向及車速控制策略中，勢(shì)必造成轉(zhuǎn)向及車速調(diào)節(jié)的階躍式變化，這將會(huì)對(duì)賽車的性能產(chǎn)生以下不利影響：其一，轉(zhuǎn)向及車速控制僵硬，對(duì)路徑變化反應(yīng)不靈敏，同時(shí)易產(chǎn)生超調(diào)及振蕩現(xiàn)象;其二，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角相對(duì)于路徑為階躍式延遲響應(yīng)，對(duì)于追求高速性能的高車速短決策周期控制策略來(lái)說(shuō)，很可能因?yàn)槎鏅C(jī)響應(yīng)不及而造成控制失效。

為了解決以上問(wèn)題，一方面可以從路徑識(shí)別算法上著手，尋找識(shí)別精度高，不受傳感器數(shù)目限制，識(shí)別信息連續(xù)的路徑識(shí)別算法;另一方面也可以從控制算法上著手，尋找基于離散路徑信息的連續(xù)控制算法。本文著眼于第一條思路，提出一種將有限間隔排布傳感器采集的數(shù)據(jù)連續(xù)化的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)路徑識(shí)別。

光電傳感器特性

該連續(xù)化方法主要是建立在對(duì)光電傳感器特性的深入研究的基礎(chǔ)上。

事實(shí)上，紅外光電傳感器特性并非如前文所述那樣簡(jiǎn)單（白區(qū)高電壓，黑線低電壓），其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高，（具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān)），如圖1所示。

圖1 傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖

因此，只要掌握了傳感器電壓—偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓上的大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線的距離（而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線上），進(jìn)而獲得車身相對(duì)路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。

連續(xù)路徑識(shí)別算法

算法總流程框圖如圖2所示，分為光電傳感器特性測(cè)定、比賽開始前預(yù)標(biāo)定、正式比賽三個(gè)步驟。

（1）傳感器特性測(cè)定

傳感器電壓—偏離距離曲線的測(cè)定是實(shí)現(xiàn)連續(xù)路徑識(shí)別的基礎(chǔ)，需在軟件調(diào)試階段預(yù)先完成。以下將以一套實(shí)際設(shè)計(jì)的傳感器為實(shí)例，說(shuō)明曲線測(cè)定的過(guò)程。

傳感器組參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器組參數(shù)

圖3 實(shí)測(cè)傳感器電壓—偏離距離特性曲線

圖4 歸一化后的傳感器電壓—偏離距離特性曲線

測(cè)定過(guò)程中，首先需要選擇測(cè)試點(diǎn)，即選擇與道路標(biāo)記線遠(yuǎn)近距離不同的點(diǎn)，如10cm、9cm、8cm……2cm、1cm等;然后在這些點(diǎn)上進(jìn)行傳感器電壓采樣，得到這些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的傳感器接收管電壓值;最后將電壓值與距離參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，便可繪制出傳感器電壓—偏離距離曲線。實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。

從曲線中不難看出，由于器件制造工藝的問(wèn)題，各個(gè)光電管的性能特性存在很大差異，特別是電壓波動(dòng)范圍相差較大。因此，為了給算法制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便，需對(duì)各傳感器的特性曲線進(jìn)行歸一化處理，具體方法有很多，比如可以把各傳感器的電壓值都處理成相對(duì)該傳感器最大電壓（白區(qū)電壓）和最小電壓（黑區(qū)電壓）的變化百分比，以使所有的特性曲線的范圍都將在0到100之間。

歸一化處理后的特性曲線如圖4。由曲線可知，該組光電管傳感器的電壓—偏離距離特性曲線基本上呈現(xiàn)三段形態(tài)：即兩邊偏離黑線較遠(yuǎn)處為斜率較小的直線段，中間為斜率較大的陡升段，黑線附近處底部呈現(xiàn)小平臺(tái)（某些傳感器特性曲線沒有顯示出平臺(tái)是因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)間隔較大的原因）。利用軟件工具對(duì)這些曲線進(jìn)行分段直線擬合，以得到可供算法應(yīng)用的簡(jiǎn)單線性關(guān)系曲線，結(jié)果如圖5。

圖5 線性擬合后傳感器電壓—偏離距離特性

有了這些曲線，便可以根據(jù)傳感器電壓，來(lái)計(jì)算各傳感器與賽道中心標(biāo)記線之間的距離，進(jìn)而得到連續(xù)分布的路徑信息。在算法編寫過(guò)程中，需將上述得到的傳感器特性曲線參數(shù)寫入程序，作為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存。

（2）預(yù)標(biāo)定

考慮到賽道差異以及傳感器溫漂對(duì)傳感器電壓整體變化產(chǎn)生的影響，每次賽車出發(fā)前需要進(jìn)行賽道預(yù)標(biāo)定，從而為下面算法路徑識(shí)別部分中的歸一化處理提供準(zhǔn)確的歸一化基本參數(shù)。

在標(biāo)定過(guò)程中，賽車處于停車狀態(tài)，但傳感器及其電壓A/D轉(zhuǎn)換通道仍在工作，單片機(jī)不斷記錄讀入的電壓值。在賽道上移動(dòng)賽車使其所有傳感器均能掃過(guò)白色的路面以及黑色的賽道標(biāo)記線，這樣單片機(jī)就能記錄下在該賽道上道路傳感器的電壓最大值（白區(qū)電壓）以及最小值（黑區(qū)電壓），為算法中的歸一化處理提供基本參數(shù)。

（3）路徑識(shí)別

路徑識(shí)別（即路徑信息獲?。榭刂扑惴ǖ暮诵膬?nèi)容，各步驟在單個(gè)決策控制周期內(nèi)完成。

首先，在每個(gè)決策控制周期中，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將傳感器電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量讀入單片機(jī)中。

然后，利用在標(biāo)定過(guò)程中得到的傳感器電壓最大、最小值將得到的傳感器電壓進(jìn)行歸一化處理。

下面需要確定能夠用于確定路徑信息的有效傳感器。從原始傳感器特性曲線中不難看出，曲線在低電壓值處的直線度較好，斜率較大，與我們所選取的分段直線模型較為近似，而在高電壓值處則有較大偏差，因此為了保證路徑信息準(zhǔn)確性，需要對(duì)傳感器信息進(jìn)行篩選，選用那些所得電壓值百分比較小，即與黑色賽道標(biāo)記線相距較近那些傳感器。例如可以選擇電壓百分比最小的三個(gè)傳感器作為有效傳感器。

接著，就需要調(diào)用傳感器特性曲線參數(shù)進(jìn)行路徑信息計(jì)算。從特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用先前確定的有效傳感器的陡升段斜率，傳感器中心位置等參數(shù)信息。然后根據(jù)這些參數(shù)以及傳感器電壓百分比，就可以計(jì)算由每一個(gè)有效傳感器得到的車身中心位置偏離路徑標(biāo)記線的距離。

最后，為了能夠提高路徑信息的準(zhǔn)確性，減小單個(gè)傳感器探測(cè)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的誤差，可以將根據(jù)三個(gè)有效傳感器計(jì)算得到的三個(gè)偏移距離取平均，得到較為準(zhǔn)確的路徑信息。

值得注意的是，這樣得到的路徑信息是車身中心偏移路徑標(biāo)記線的距離，是一個(gè)連續(xù)變化的量，不但能在傳感器處于賽道標(biāo)記線正上方時(shí)探測(cè)到賽道，也能在傳感器偏移標(biāo)記線時(shí)給出具體的偏移距離，因此消除了傳感器間隙的“盲區(qū)”，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的路徑識(shí)別。

問(wèn)題及展望

連續(xù)路徑偏差識(shí)別算法比起普通離散算法來(lái)說(shuō)，不但具有定位精確、響應(yīng)連續(xù)的特點(diǎn)，而且從理論上來(lái)說(shuō)連續(xù)算法可以在任意數(shù)目傳感器配置的控制系統(tǒng)中都保證較好的路徑識(shí)別效果，為控制的流暢性提供了可能。

同時(shí)需要指出的是，采用該算法時(shí)硬件設(shè)計(jì)上需要注意一些相關(guān)問(wèn)題：

（1）需要根據(jù)實(shí)際路徑標(biāo)記線寬度，以及傳感器離地高度選擇合適的光電傳感器。具體來(lái)說(shuō)，為了保證分段線性模型的準(zhǔn)確性，最好選擇那些傳感器電壓—偏離距離特性曲線中陡升段斜率較大的傳感器，但同時(shí)若斜率過(guò)大，又將使得傳感器最低到最高電壓變化的距離范圍過(guò)小，從而降低傳感器信息的探測(cè)寬度。另外，盡量選用特性曲線無(wú)平臺(tái)的傳感器，以免影響路徑識(shí)別準(zhǔn)確性并給算法處理上帶來(lái)麻煩。

（2）為了保證算法的簡(jiǎn)單，使所有傳感器能夠共用一個(gè)分段線性模型，最好能夠保證所有傳感器的均一性，即所有傳感器的特性曲線都具有大致相同的形狀。這一點(diǎn)實(shí)際上很難做到，但若設(shè)計(jì)時(shí)稍加注意，如對(duì)元件進(jìn)行分級(jí)篩選，仍可以部分改善問(wèn)題，給算法實(shí)現(xiàn)上帶來(lái)方便。

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