傳感器與智能車(chē)路徑識(shí)別

1、傳感器與智能車(chē)路徑識(shí)別王明順沈謀全（東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院遼寧沈陽(yáng)110004）摘要：路徑識(shí)別是體現(xiàn)智能車(chē)智能水平的一個(gè)重要標(biāo)志，而傳感器是智能車(chē)進(jìn)行路徑識(shí)別的關(guān)鍵檢測(cè)元件。針對(duì)智能車(chē)在特殊路徑與傳感器數(shù)目限制的條件下的路徑識(shí)別，提出了基于紅外傳感器的路徑識(shí)別方案與基于圖像傳感器的路徑識(shí)別方案，并對(duì)兩種方案的應(yīng)用性能進(jìn)行了比較。通過(guò)將基于面陣圖像傳感器的路徑識(shí)別方案應(yīng)用于第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車(chē)競(jìng)賽并取得優(yōu)異成績(jī)，驗(yàn)證了該方案

2、的可行性與有效性。關(guān)鍵字：路徑識(shí)別；智能車(chē)；紅外傳感器；圖像傳感器引言“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽是在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12MCU為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。組委會(huì)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線(xiàn)的智能車(chē)并在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)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(guò)16個(gè)。由于路徑識(shí)別在本智能車(chē)控制系統(tǒng)中的重要地位，而路徑識(shí)別結(jié)果的好壞又與

3、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(duì)應(yīng)用于路徑識(shí)別的傳感器進(jìn)行討論。傳感器概述光電傳感器與CCDCMOS圖像傳感器是較為常見(jiàn)的應(yīng)用于路徑識(shí)別的傳感器。光電傳感器由于本身物理結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理方式的簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用，但存在檢測(cè)距離近的弱點(diǎn)。CCDCMOS圖像傳感器能更早的感知前方的路徑信息，但存在著復(fù)雜的信號(hào)輸出方式所導(dǎo)致復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方式，從而使很多研究者望而卻步。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、高級(jí)人工智能技術(shù)的發(fā)展，CCDCMOS圖

4、像傳感器識(shí)別方案的研究也逐漸深入，將CCDCMOS圖像傳感器應(yīng)用于智能車(chē)的路徑識(shí)別是智能車(chē)研究的發(fā)展趨勢(shì)。紅外傳感器的輸出可分為數(shù)字式與模擬式紅外傳感器兩種。數(shù)字式紅外傳感器具有與微處理器相對(duì)應(yīng)的接口，使得硬件電路簡(jiǎn)單，但是存在采集路徑信息粗糙、丟失路徑信息的缺點(diǎn)。模擬式紅外傳感器輸出的模擬信號(hào)，通過(guò)將多個(gè)模擬式紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，可以再現(xiàn)賽道路徑的準(zhǔn)確信息。在使用多個(gè)模擬式紅外傳感器的情況下需占用微處理器較多的AD端口。CCDC

5、MOS圖像傳感器可分為線(xiàn)陣式與面陣式兩種。線(xiàn)陣式圖像傳感器常常應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度有特殊要求的場(chǎng)合，由于具有較高的精度，一般價(jià)格較昂貴。面陣式圖像傳感器常被應(yīng)用于普通的視頻檢測(cè)，價(jià)格較便宜。在實(shí)際應(yīng)用中，常選用面陣式圖像傳感器。然而，由于常用的CCDCMOS圖像傳感器可分針對(duì)2006年第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車(chē)邀請(qǐng)賽，我們采取了基于圖像傳感器的路徑識(shí)別方案.其參賽的智能車(chē)的整體實(shí)物照片如圖1所示.圖1智能車(chē)整體實(shí)物照片全國(guó)智能車(chē)邀請(qǐng)

6、賽指定的唯一微處理器為Freescale公司的HCS12DG128B16位MCU，128K字節(jié)的FlashEEPROM，8K字節(jié)的RAM，2K字節(jié)的EEPROM，2個(gè)異步串行通信接口(SCI)2個(gè)串行外圍接口(SPI)，1個(gè)8通道的輸入捕捉輸出比較(ICOC)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，2個(gè)8通道、10位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，1個(gè)8通道的脈沖調(diào)制器(PWM)，豐富的IO資源，內(nèi)部集成PLL鎖相環(huán)，可以提高系統(tǒng)時(shí)鐘工作頻率。然而，S12單

7、片機(jī)的上限內(nèi)部總線(xiàn)頻率25MHz。在此限制條件下，將微處理器的總線(xiàn)時(shí)鐘設(shè)定為24MHz。根據(jù)智能車(chē)賽道引導(dǎo)線(xiàn)與其背景的巨大反差的特點(diǎn)，這里只需要選擇具有全電視信號(hào)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64us，場(chǎng)頻20ms，行同步為12us(行消隱脈沖4.7uS)，場(chǎng)同步脈沖寬度為25個(gè)行周期(2.048ms)，去掉行同步時(shí)間，則每行的有效信息時(shí)間是52us.通過(guò)將圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)接至視頻同步分離

8、芯片LM1881的視頻輸入端，就可以得到行同步、場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)同步信號(hào)等，這里只使用行同步、奇偶場(chǎng)同步信號(hào)作為單片機(jī)進(jìn)行視頻AD采集的控制信號(hào).有關(guān)于使用LM1881提取視頻信號(hào)中的行、場(chǎng)同步信號(hào)的電路原理如圖2所示。圖2LM1881視頻同步分離電路根據(jù)處理器MC9S12DG128進(jìn)行AD采樣與轉(zhuǎn)換的時(shí)間要求，這里我們使用24MHz的總線(xiàn)速度，這樣每采集一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間大約是2us，每行的掃描時(shí)間是64us，去掉行消隱與行同步時(shí)間12us，

9、每行有效信息時(shí)間為52us.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(gè)點(diǎn)，每場(chǎng)采集200行，但在實(shí)際應(yīng)用中，每場(chǎng)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(mǎn)足控制系統(tǒng)的精度要求.這樣，圖像傳感器每場(chǎng)的數(shù)據(jù)變換成一個(gè)20行、24列的一個(gè)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(hào)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AD采集的參考電壓調(diào)整為1.