面向飛思卡爾智能車(chē)的光電傳感器設(shè)計(jì)

摘要隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，具有高發(fā)光效率和低耗散功率的光電管的生產(chǎn)制作越來(lái)越受到人們的重視，其應(yīng)用技術(shù)也是當(dāng)下研究的熱門(mén)。本文旨在介紹基于飛思卡爾智能車(chē)的光電傳感器的原理設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)試。

關(guān)鍵詞光電傳感器調(diào)制解調(diào)

中圖分類(lèi)號(hào):TN4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 概述

對(duì)于智能車(chē)的自動(dòng)駕駛，其核心是路面信息獲取。在多種路面信號(hào)傳感器方案中，可以歸結(jié)為兩個(gè)大類(lèi):被動(dòng)式信息獲取和主動(dòng)式信息獲取。豍對(duì)于被動(dòng)式信息獲取，其受環(huán)境影響較大，例如使用CCD作為路面信息傳感器時(shí)，其對(duì)環(huán)境的光線(xiàn)強(qiáng)度、分布、頻率等都有一定的要求。對(duì)于主動(dòng)式信息獲取，雖然其耗能較大，但是在適應(yīng)環(huán)境變化的能力上比被動(dòng)式信息獲取好很多。本文著重探討和設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的光電傳感器實(shí)現(xiàn)大前瞻量和高穩(wěn)定信號(hào)的思路和方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。

2 光電傳感器需求分析

2.1 跑道路面主要參數(shù)

智能車(chē)尺寸長(zhǎng)寬為不超過(guò)400mm€?50 mm，智能車(chē)運(yùn)行的跑道是底面由白色寬不小于60cm的KT板構(gòu)成，跑道中心有由黑色即時(shí)貼做成的2.5cm寬引導(dǎo)線(xiàn)。豎圖1為跑道示意圖:

2.2 光電傳感器系統(tǒng)的分類(lèi)

光電傳感器主要可以從傳輸介質(zhì)波長(zhǎng)、發(fā)射角度、發(fā)射方式和信號(hào)形式等四個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)。

(1)光電傳感器從傳輸介質(zhì)波長(zhǎng)上可分為四類(lèi):紅外光、可見(jiàn)光、紫外光、高能射線(xiàn)(X射線(xiàn)、€%\\射線(xiàn)等)。在實(shí)際使用時(shí)，對(duì)于高能射線(xiàn)，普通應(yīng)用一般不會(huì)涉及;對(duì)于可見(jiàn)光，自然界中含量太高，不利于應(yīng)用;這樣紅外光和紫外光是比較合適的選擇，由于紫外光的發(fā)射和接收器件比較少，故著重考慮在元器件和應(yīng)用較廣的紅外光傳感器，波長(zhǎng)選擇在700nm—1000nm之間。

(2)光電傳感器從發(fā)射角度上可分為兩類(lèi):普通散射光和激光。激光的單向性和能量密度是最大的，非常適宜做精確測(cè)距之類(lèi)的應(yīng)用，但是激光的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于智能車(chē)模小體積、輕質(zhì)量的要求很難滿(mǎn)足;對(duì)于普通散射光，可以選擇發(fā)射角較小的發(fā)射管，在0.5m以?xún)?nèi)的距離內(nèi)，其散射范圍是可以接受的，故需選擇發(fā)射角度小的紅外發(fā)射管。

(3)光電傳感器從發(fā)射方式上可分為四類(lèi):直流發(fā)射、脈沖發(fā)射、直流調(diào)制發(fā)射和脈沖調(diào)制發(fā)射。對(duì)于直流發(fā)射，接收部分始終有信號(hào)，對(duì)于采集到得信號(hào)可以做到絕對(duì)實(shí)時(shí)，但是直流發(fā)射因?yàn)樗矔r(shí)功率和能耗的因素，對(duì)于智能車(chē)模直流發(fā)射不合適;對(duì)于脈沖發(fā)射，其確實(shí)是對(duì)路面信號(hào)的間斷性采集，但是只要在智能車(chē)?？刂频木确秶鷥?nèi)，就可以滿(mǎn)足要求，而且脈沖發(fā)射在提高瞬間發(fā)射功率、降低功耗、節(jié)約能源上有諸多優(yōu)勢(shì)。對(duì)于使用調(diào)制發(fā)射，是為了從本質(zhì)上處理自然界中直流和低頻光的干擾，故脈沖調(diào)制發(fā)射為本文考慮的重點(diǎn)。

(4)光電傳感器從信號(hào)形式上可分為二類(lèi):數(shù)字式和模擬式。對(duì)于數(shù)字式，其抗干擾能力比較強(qiáng)，但是其精度和響應(yīng)的靈敏度又隨著抗干擾能力的增強(qiáng)而迅速減弱，故不適合本文研究的傳感器;對(duì)于模擬式，其受外界和線(xiàn)路影響是比較大，但是在使用調(diào)制光和屏蔽線(xiàn)后，干擾問(wèn)題可以解決，而且其連續(xù)變化和數(shù)值和實(shí)時(shí)的高靈敏度非常適合在智能車(chē)上應(yīng)用。綜上所述，本著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的原則，設(shè)計(jì)主動(dòng)式調(diào)制紅外發(fā)射接收方案。

2.3 針對(duì)智能車(chē)的傳感器需求分析

由于光電傳感器是為智能車(chē)總體服務(wù)，故光電傳感器的體積和安裝都受到車(chē)體的限制，為了在合理的體積和位置范圍內(nèi)獲取最大的前瞻量和分辨率，清晰分辨出黑色引導(dǎo)線(xiàn)和白色跑道區(qū)域，在進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮到光電管高能量的發(fā)射和高去噪的接收。故光電傳感器主要組成可分為:發(fā)射管驅(qū)動(dòng)、信號(hào)接收放大、信號(hào)濾波和信號(hào)檢波等四個(gè)組要的部分。

所以對(duì)其性能要求為:信號(hào)準(zhǔn)確、格式標(biāo)準(zhǔn)(0-5V的模擬信號(hào))、清晰、前瞻量大于30厘米、響應(yīng)速度快，并且做到具有一定的抗撞擊能力和盡量輕小。

3 光電傳感器詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框圖

根據(jù)智能車(chē)的限制和跑道的要求，基于大前瞻量和高可靠性的原則，傳感器總體設(shè)計(jì)為:使用高頻載波的高脈沖功率方式進(jìn)行橫向覆蓋整個(gè)賽道局部，縱向發(fā)散盡量小的發(fā)射方式，在接收端使用多級(jí)放大和高效的濾波，最后使用快速、低波動(dòng)的檢波原理，提取基波信號(hào)的包絡(luò)線(xiàn)，最后信號(hào)輸出。圖2為傳感器方案的系統(tǒng)框圖:

3.2 信號(hào)發(fā)射處理

(1)電源設(shè)計(jì)。為了最大限度使傳感器的前瞻量增大，本文需要盡可能地提高單個(gè)紅外管的瞬間輻射強(qiáng)度，這樣會(huì)使單個(gè)紅外發(fā)射管的瞬間前向電流達(dá)到500mA及其以上，這樣LT1084是比較合適的方案選型。

(2)傳感器發(fā)射次序有兩種方式:單管逐個(gè)發(fā)射單管逐個(gè)接收和多管同時(shí)發(fā)射同時(shí)接收。對(duì)于單管逐個(gè)發(fā)射單管逐個(gè)接收，可以提高單個(gè)傳感器的定位能力，但是這樣會(huì)造成時(shí)間上的浪費(fèi)，不能滿(mǎn)足智能車(chē)的控制要求，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅外發(fā)射管有200-700€%es的上升時(shí)間，這樣在8個(gè)傳感器時(shí)，每次采樣的周期會(huì)高達(dá)10ms以上，這樣非常不利于智能車(chē)的實(shí)時(shí)控制。

對(duì)于多管同時(shí)發(fā)射同時(shí)接收，雖然每個(gè)紅外發(fā)光管的定位能力基本沒(méi)有，但是可以通過(guò)紅外接收管的定位來(lái)彌補(bǔ)發(fā)射管的不足，而且這樣可以增強(qiáng)單位面積的輻射強(qiáng)度，增加傳感器的靈敏度。故選擇多管同時(shí)發(fā)射同時(shí)接收方案。

(3)傳感器高度與傾角選擇。為了傳感器的前瞻量增大，在增加發(fā)射功率的同時(shí)，還選擇傳感器是與底面成傾斜發(fā)射，所以從底面反射回來(lái)的紅外光都是成一定角度的漫反射光。根據(jù)朗伯余弦定理，朗伯輻射表面在某方向上的輻射強(qiáng)度隨該方向和表面法線(xiàn)之夾角的余弦而變化。在工程上認(rèn)為反射光與發(fā)現(xiàn)夾角小于60€笆甭憷什嘞葉ɡ恚?豐所以為了盡量多能獲得反射光，又要盡量增大前瞻量，選擇發(fā)射角度在45€白笥遙庋釁韉那罷傲亢莧菀鬃齙?0cm以上。

3.3 信號(hào)接收處理

(1)紅外信號(hào)接收和放大。對(duì)于信號(hào)接收，主要考慮到提高傳感器的靈敏度和避免輸出信號(hào)飽和;對(duì)于信號(hào)放大，基于高可靠性的考慮本文采用集成運(yùn)放作為主要器件，具體方案采用同向比例放大電路的設(shè)計(jì)。參考紅外接收管推薦電路。

(2)信號(hào)濾波。對(duì)于信號(hào)濾波，設(shè)計(jì)調(diào)制中心頻率在10KHz，根據(jù)快速濾波器設(shè)計(jì)方法豒和提高系統(tǒng)的抗干擾能力，將高通和低通部分的轉(zhuǎn)折頻率均設(shè)計(jì)在中心頻率上，這樣可以極大限度的將雜波去除。

(3)信號(hào)檢波。對(duì)于信號(hào)檢波，采用調(diào)幅波解調(diào)原理，豓選擇合適的電容、電阻充放電參數(shù)，以得到滿(mǎn)足要求的包絡(luò)線(xiàn)提取效果。

3.4 傳感器系統(tǒng)電路原理

通過(guò)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)和發(fā)射接收部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)和說(shuō)明，可得傳感器系統(tǒng)應(yīng)用電路原理圖，如圖3:

4 傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 方案測(cè)試與分析

如圖4所示，是傳感器實(shí)測(cè)的輸出波形，由波形可以看出，在穩(wěn)定階段，效果與預(yù)期基本一致，而且在強(qiáng)烈陽(yáng)光下(圖4右)，傳感器信號(hào)任能迅速濾除外界干擾，達(dá)到比較好的效果。

4.2 不足與改進(jìn)

雖然傳感器性能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，但是從測(cè)試中還是發(fā)現(xiàn)了一些不足和值得改進(jìn)的地方。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，傳感器的波動(dòng)相對(duì)較大，這樣在跑道表面反射變化比較大的時(shí)候，對(duì)有效信號(hào)的擾動(dòng)較大;整個(gè)電路還是偏復(fù)雜，裝在智能車(chē)上后，顯得較為笨重，以后需減輕重量和減小體積。

5 總結(jié)

通過(guò)這次參與飛思卡爾智能汽車(chē)傳感器方案的設(shè)計(jì)，不僅加強(qiáng)了對(duì)電子電路和智能應(yīng)用的了解和興趣，而且在有限的知識(shí)和能力范圍內(nèi)，在老師和學(xué)長(zhǎng)們的指導(dǎo)和幫助之下，大膽嘗試和創(chuàng)新，得到了比較滿(mǎn)意的效果，而且在一個(gè)管理有序的團(tuán)隊(duì)里面和隊(duì)員們合作，也鍛煉了我們課外的合作意識(shí)和能力。作為中學(xué)生，我們?cè)趯W(xué)好課堂內(nèi)知識(shí)的同時(shí)，參與更多的課外創(chuàng)新活動(dòng)。創(chuàng)新是時(shí)代的主題，也希望有更多的同學(xué)能加入我們創(chuàng)新的行列。