基于激光掃描原理的路徑檢測方案

摘要：本文針對智能車的路徑檢測，提出了一種全新的、基于激光掃描原理的實現方案。在介紹激光掃描器工作原理的基礎上，結合智能車路徑檢測的具體要求和特點，給出了硬件電路解決方案以及軟件算法設計，實現了大前瞻、高精度的路徑檢測效果。

關鍵詞：智能車；路徑檢測；激光掃描；飛思卡爾

引言

飛思卡爾智能車比賽的賽道，由白色泡沫材料及其中心的黑色引導線組成，對賽道信息捕獲的效果好壞，直接決定著智能車的速度及控制性能。通常采用的路徑檢測方式，不外乎CCD與光電兩種。CCD方案具有先天的優勢，不僅能得到賽道的豐富信息，而且可實現遠距離的前瞻，對車模重量及穩定性的影響也很小；而光電方案受傳感器數量、車模重量及穩定性所限，獲得的賽道信息十分有限，前瞻距離也不足，使得使用光電管方案的隊伍成績普遍不如使用CCD方案的隊伍。

是否光電方案就真的不可能得到連續的、前瞻性好的信息呢?設想如果只用一對光電發射/接收傳感器，利用光學裝置讓發射光線形成一條高速掃描線，就可以得到一行完整的賽道信息，如果有3個這樣的裝置，即可獲得賽道曲率和角度。另外，如果使用能量高度集中的激光作為光源，則檢測距離可大大增加。正是基于這種想法，我們想到了利用條碼掃描儀中的激光掃描器。

激光掃描器正是利用快速擺動(或旋轉)的鏡面，反射能量高度集中的激光束，使激光束的出射角度隨著反射鏡的運動產生連續的變化，從而投射出一條掃描線。雖然只有一個光電檢測器和一個光源，但由于反射鏡的高掃描頻率，使得掃描器幾乎可以同時得到一行的圖像信息。當然，我們還需要做許多額外工作，才能將條碼掃描器應用于路徑檢測。

激光掃描器檢測基本原理

激光掃描器的基本原理與基于紅外路徑探測的原理類似，但存在如下不同點：

·激光掃描器通常使用波長為650nm的激光管作為光源，能量高度集中，遠距離時光束發散角仍然很小，檢測距離遠且分辨率高，而紅外光電檢測方案，其光源發射角大，檢測距離有限且分辨率低。

·激光掃描器增加一個可控的振鏡或旋轉棱鏡，實現動態掃描檢測，可以獲得一維圖像信息，利用多個(通常3個就足夠了)一維激光掃描器，可以獲得與CCD方案近似的圖像信息，而一對紅外光電傳感器僅能獲得一個“像素”信息，要想獲得足夠的賽道信息，必需足夠多的光電傳感器，受規則所限的同時還要考慮到車模重量及穩定性，相對于CCD方案，光電方案獲得的信息十分有限。

我隊所使用激光掃描器原理如下。

光學部分

如圖1所示，激光掃描器光學部分包含如下裝置：激光二極管、準直透鏡、平面鏡、凹面鏡、濾光片、光敏二極管、振鏡。振鏡由三部分組成：反射鏡、固定于反射鏡背面的永磁鐵和用于固定反射鏡的支架，支架可在一定角度內自由旋轉。由激光管發出的光線經準直透鏡聚焦后，成為平行光進入平面鏡，經平面鏡反射后穿過凹面鏡中央的小孔，抵達振鏡，由于振鏡的周期運動改變其角度，故光束由振鏡的出射角亦作周期變化，形成掃描線。與此同時，出射光在賽道上的漫反射光線通過振鏡鏡面，進入凹面鏡的聚焦范圍，經凹面鏡聚焦后的光線，通過中心波長為650nm的濾光片濾除干擾光后，由光敏二極管轉換成與光強相對應的光電流，再由后續硬件電路處理。

電路原理

如圖2所示，激光掃描器包括以下電路。

控制電路：用于控制和和監視各個模塊電路工作，若發生故障，則立即關閉激光管的輸出，以避免高能量的激光點光源對人眼造成傷害。

激光管驅動電路：用于驅動激光管發出激光束。由于激光管的輸出功率受溫度影響較大，故通常在激光管內部設有一個光敏二極管，以監測激光功率。驅動電路使用此光敏二極管的輸出信號構成功率閉環控制電路，從而穩定激光管的輸出功率。

振鏡驅動電路：振鏡驅動電路用于驅動電磁線圈產生大小、方向可控的磁力，作用在反射鏡背面的永磁鐵上，從而控制振鏡的往復運行，形成掃描線。同時，振鏡驅動電路還輸出一個用于指示掃描起始的同步信號，用于后續信息處理。

電流一電壓轉換電路(I/V轉換電路)：光敏二極管所產生的是隨光強變化的電流，為便于后續電路處理，設置電流一電壓轉換電路，將光強轉換為電壓信號。

二值化：由光強轉換得到的電壓信號，經過動態閾值比較器，轉換成0或1的二值化數字信號，分別指示了條碼中的黑線與白區，最后由外部條碼解碼系統得到條碼信息。

硬件電路

電路設計目的

激光條碼掃描器輸出的信號并不能直接用于賽道路徑檢測，主要原因如下。

·為了準確檢測到寬度為mil級的條碼，激光掃描器的光源光斑直徑非常小，其二值化輸出信號對被測物十分敏感，以至于賽道上的黑斑、破損、縫隙等均可能導致錯誤輸出，給后續的處理帶來了困難，也大大降低了可靠性。

·出于安全考慮，小型激光條碼掃描器都使用小功率的半導體激光管，功率通常不會超過5mW，檢測距離有限，并且使用時要求光束盡可能與條碼面垂直，以獲得足夠的反射光。為了使小車獲得足夠的前瞻，我們希望其檢測距離能達到70cm左右(自車頭開始計)，并且為了穩定重心，希望掃描器的安裝位置盡可能低，這勢必增大掃描線與賽道垂直面問的夾角，掃描器的反射光將大幅減少，使掃描器的檢測距離與要求相差甚遠。

為了解決這些問題，我們僅利用掃描器的光學系統和振鏡驅動電路，自行設計其他附屬電路，主要設計如下。

·直接從掃描器中的I/V轉換電路引出光強信號，結合其掃描同步信號，利用自行設計的電路完成賽道檢測的硬件電路部分。

·將原掃描器上的小功率激光二極管更換成相同波長、同種封裝的大功率激光二極管。我們使用的是50mW的激光二極管，但原先的驅動電路不能與之匹配，故自行設計了激光驅動電路，并稍稍調整激光二極管的安裝位置，有意使其偏離準直透鏡的焦點位置，從而使掃描線適當加粗，降低掃描器對干擾目標的敏感度。

賽道引導線的基本檢測原理

如圖3所示，示波器的CHl接掃描同步信號，同步信號一個周期代表著兩個掃描周期：高電平部分為從左到右掃描，低電平部分反之。通道CH2為I/V電路輸出的光強信號波形，由實驗可知，此波形中凹槽的寬度、位置與賽道中央黑色引導線的寬度、位置相對應，改變掃描線與引導線的相對位置，凹槽的位置也相應改變。值得注意的是，隨著同步信號的高低電平變化，凹槽的位置呈水平鏡像翻轉。

實驗得出：光強信號的幅值是不穩定的，與賽道的反射率有關：反射率大時，光敏二極管輸出的電流相對較大，信號的幅值也相對較高，反之亦然，此外，與引導線對應的波形凹槽部分，其幅度也只有十幾毫伏，基于這兩種原因，如果簡單地使用閾值比較器，不能穩定地檢測引導線。通過分析信號波形，我們可以發現引導線信號(即波形中的凹槽部分)的兩個特點：

·電壓變化率(dμ/df)最大，分別出現在引導線的兩側；

·引導線信號的寬度與實際寬度呈對應關系。

由此，可以利用微分放大電路獲得兩個大幅度、方向相反的du/dt信號(如CH3所示)，再利用兩個比較器將兩個信號檢出(CH4)，最后由DGl28的輸入捕捉模塊測量出脈沖的寬度與位置。

激光驅動電路

大功率半導體激光二極管通常不帶有光敏檢測管(PD)，因此，我們沒有使用功率閉環電路，而是采取了一個可調恒流源控制電路，使激光二極管的輸出功率能在合適的范圍內調節。如圖4，電路的核心部分是由LM317L(三端可調穩壓器)構成的恒流源電路，其最小輸出電流為1.25V/(R22+R10)≈57mA，最大輸出電流為1.25V/(R22)≈104mA。恒流電路為激光二極管提供了穩定的驅動電流，保證激光二極管的輸出功率符合要求。

此外，為了在待機狀態下減少功耗，電路中設計了關閉激光管的功能(由Q2、R21、U3F構成)。

信號檢測電路

完整信號檢測電路如圖5，考慮到激光掃描器內的光敏二極管輸出信號十分微弱，而我們自行設計的電路與掃描器有一定距離，如果直接將光敏二極管引入到我們的測量電路，會產生較大的干擾，因此，我們從掃描器內的I/V電路的輸出引出光強信號，I/V輸出電路的阻抗較低，可以有效防止信號被干擾，如果讀者無法找到這個信號，可以在離光敏二極管盡可能近的位置，使用微型封裝的單運放電路實現一個I/V電路，參考電路如圖6。

U_OUT=I_f×R_f

需要特別指出的是，由于光敏二極管產生的電流極小，應該使用低偏置電流的運放(fA級)，例如LMC6462。

光強信號首先經過一個截止頻率為34kHZ的二階RC有源濾波電路，濾除高頻信號，降低電路系統對諸如小黑斑、縫隙等干擾目標的敏感度。截止頻率的選取與掃描速度有關，掃描速度越高，截止頻率應該隨之提高，在較低的掃描速度下，還可以進一步降低截止頻率，以降低對干擾目標的敏感度。

濾波器的輸出信號經過R29送由UIB為核心的微分放大器，這也是路徑檢測電路的核心，微分放大電路的傳遞函數為Uo=-RC(dui/df)，dui/dt即為輸入電流的變化速率，R=R47+R44，C=C18。

R29的作用如下：一是限制微分放大電路的輸入電流，防止小幅度的電壓階躍信號被當作引導線信號，調整R29的阻值可以改變輸入電流的大小；二是防止微分放大電路的容性輸入負載對前級運放電路的影響。穩壓二極管D1和D2是用于防止UIB因為輸出幅度過大導致運放進入深度飽和狀態，影響運放對輸入信號的響應能力，原理如下：當運放輸出電壓超過4.6V時(需要加上D2的正向導通電壓0.7V)，D1被擊穿，將輸出幅度限制在4.6V左右，當運放輸出電壓低于0.4V時(同樣需要加上D1的正向導通電壓0.7V)，D2被擊穿，將輸出幅度限制在0.4V，需要注意的是：必須使用反向漏電電流低的穩壓管，以防止穩壓管的等效電阻降低微分放大電路的增益。

由于我們需要UIB工作在兩個象限：對應輸入電流變化率為正的上跳變和輸入電流變化率為負的下跳變，而電路的工作電壓為單電源，因此，我們利用電路中的R32和R34將運放的同相端加上一個12V/2的偏置，這樣就可以在兩個象限輸出信號。圖3中的CH2與CH3分別是微分電路輸入/輸出信號的波形，可以很清楚地觀察到微分放大電路的作用。

微分放大電路的輸出經過R22和C33濾除可能存在的尖峰脈沖后送入由U4A和U4B構成的比較器，分別將符合幅度條件的上跳變信號和下跳變信號分別檢出，并經過U7E和U7B反相器(帶施密特整形)送入由D觸發器構成的RS觸發器，觸發器的輸出波形見圖3中的CH4所示，由于此波形中的脈沖代表了掃描線相對引導線的位置信息，下文將稱之為“脈沖信號”。至此硬件電路完成了對引導線的檢測與波形處理。

軟件實現

將激光掃描器安裝在小車的正上方，使掃描線中心點位于車身的軸線上。改變小車軸線距引導線中心的位置y，記下脈沖信號相對于同步信號的偏移位置x，測得一組數據。用最小二乘法擬合可得出y與x的對應關系：

y=k×(x+ref) (1)

其中直線斜率k與零位偏移ref的值與掃描器安裝的位置有關。此外，測量脈沖信號(圖3中CH4)寬度，可知此寬度與引導線的寬度成比例關系。

激光掃描器輸出兩個信號：同步信號與脈沖信號。同步信號用于指示每一個掃描周期的起始位置，而脈沖信號代表了掃描到的引導線信息。因此，可由這兩個信號計算出小車當前相對于引導線的位置偏移。

由公式1可知，要得到小車的位置偏移y，必需先確定零位偏移ref及直線斜率k。故在軟件中設置自動校準環節：零位校準與斜率校準。具體流程如下：

首先將小車置于賽道中心，程序計算當前的x值，則零位偏移值ref=-x。然后，將小車平行移至一固定位置y(如引導線右方12cm)，程序計算當前的x值，則斜率k=y/(x+ref)。至此校準環節完成。

要計算脈沖信號中心點相對于同步信號中心點的偏移量x，需要得到脈沖信號上升沿時刻SO、下降沿時刻S1，同步信號起始時間t0、同步信號結束時間f1，則有

z=(t1-t0)/2-(s1-s0)/2 (2)

要獲得以上參量，最好方法是利用DGl28的輸入捕捉功能(ECT)。DGl28總共包括8個輸入捕捉通道，當任意通道的捕捉事件發生時，ECT即將當前的計數器值鎖存到相應通道的輸入捕捉寄存器。可以使用通道0作為同步信號輸入端，通道1作為脈沖信號輸入端。將通道0，1均設置為中斷允許、任意跳變沿捕捉的方式。脈沖信號中斷程序流程圖如下：

如圖7，index用于保存脈沖個數(可能檢測到多個目標)，每次同步信號發生跳變后index被清零，表示一個掃描周期的開始。脈沖信號產生跳變時，即進入此中斷程序，首先讀取輸入捕捉寄存器的值(即跳變發生的時刻)、之后判斷此跳變是否為本次掃描周期內的首次跳變(index是否等于O)，若是，且本次跳變為下降沿，則忽略并退出中斷；若首次跳變為上升沿，則將此次跳變的時刻存入數組s0[index]。假如并非首次跳變，若該跳變為上升沿，則將跳變的時刻存入數組s0[index]；若為下降沿則存入數組s1[index]，并將數組索引號index自加，以準備保存下一脈沖。

如圖8，同步信號產生跳變時，表示上次掃描周期完成。進入中斷程序，首先記下此次跳變的時刻t1，并獲知當前為高電平或低電平，用于確定當前掃描方向；計算上次掃描周期內檢測到的所有脈沖寬度，由于引導線寬度固定，而污損、縫隙等產生的脈沖往往寬度很小，可以設置一個合適的閾值，將可能存在的干擾脈沖濾除；由公式(2)與公式(1)計算出小車距引導線的偏移量；最后，將f1的值賦予t0，作為下一掃描周期的起始時刻。

結語

至此，激光掃描器實現了路徑檢測功能，并成功地應用在我們的智能車上。這種開創性的掃描檢測方式，帶來了大前瞻、連續的路徑檢測效果，前瞻距離可以超過70cm，檢測精度可達到1mm，使光電管方案產生了突破性的進展。若采用多個掃描器組成多條平行的掃描線，則理論上可得到與CCD相媲美的路徑檢測能。此外，本文介紹的實現原理，也完全適應于CCD方案，CCD的行同步信號相當于本文中的掃描同步信號，CCD輸出的模擬視頻信號，相當于本文中的光電信號，利用相同的電路原理，配合DGl28的ECT功能，可以用最少的CPU時間開銷和內存開銷，達到理想的路徑檢測效果。