智能車巡線原理

文/林輝 卞軍 張晨陽 劉珊珊

智能車近年來獲得了較大的發展，除了專門的飛思卡爾智能車大賽之外，在全國大學生電子設計大賽中也經常以智能車做為考題，智能車巡線技術的發展使智能車具備了更強的“智能性”。

1 智能車的整體結構

智能車可以分成三個部分——傳感器部分、控制器部分、執行器部分。即信號捕獲、控制、驅動。

傳感器將外界光、電、聲音、電磁波以及其他信號轉變為電信號后發送給上級，在智能車上的傳感器有電壓輸出、脈沖輸出、數字總線輸出等幾種形式。

傳統的控制器包含程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器以及操作控制器等，用來實現整個微機系統的操作。在智能車系統中，控制器負責將各類傳感器采集到的信息進行分析處理，并將指令傳遞給執行器。

執行器部分負責執行控制器傳達的各項指令，進而調整各個模塊的工作狀態，使之協同完成智能車的各項操作。

2 什么是智能車巡線技術

簡單來說，智能車巡線技術就是通過智能車得到一個合適的圖像，并從中分析出部分可以用來控制車體的信息。

在智能車巡線過程中，使智能車在引導信息下去逼近預定的行駛軌道是智能車巡線技術的一個基本目標，其行駛路線與實際預定軌道之間的誤差率可以用來判別一種巡線技術的優劣程度。在同一種巡線技術下，采用不同的傳感器也會對智能車的巡線準確度產生影響。

3 黑線循跡法

目前被廣泛采用的循跡方式有多種，包括黑線循跡、紅外對管循跡法、攝像頭循跡法、激光管循跡法、激光管循跡法、電磁循跡法等。相比較于其他幾種循跡方法，黑線循跡的電路設計相對而言簡單，檢測信息速度快且成本低。黑線循跡示意圖如圖1所示。

黑線循跡中主要采用紅外探測法，依靠光電傳感器來實現對道路的識別。由光電傳感器的發射管發射出一定波長的紅外線，當紅外線照射在不同的物體表面時具有不同的反射強度。利用黑色對可見光的強吸收率，當智能車行駛到預定黑線軌道，低反射率的黑線與其他高反射率地帶形成強烈的對比。在對智能車巡線技術的內部編碼中，就是利用這一特點進行路徑識別。光電傳感器原理如圖2所示。

智能車行駛過程中，想要從賽道中提取我們想要的黑線信息，首先需要做的是提取出完整的賽道輪廓。賽道不可避免的會有各種彎道，交叉等。在機器看來這些賽道信息就是一堆一堆的點。為了幫助智能車較好的運行，需要有良好的路徑識別方法。路徑識別主要是對普通彎道、小S形彎道、大S行彎道、十字交叉道的識別。

普通彎道對于智能車來說是最容易識別的，可以根據偏移量、曲率等來識別。根據曲率來識別是目前采用較多的一種方法。曲率最大的意義在于可以同時包含速度和轉向兩種信息。求取曲率在高等數學中有明確的方法，除此之外我們可以利用圓的特性來逼近曲率。式（1）即使用的曲率計算公式，通過圓上三點求曲率。其中x為坐標，c即曲率，i為當前點，i+1為沿y軸方向增長的下一個點，i-1則是沿y軸方向增長的上一個點。進而可以得到此三點組成的曲率。

根據所求出來的曲率，就可以判斷出彎道情況。當然，在判斷曲率之前，首先要為智能車的路徑識別程序設定一個閾值，當所求出來的曲率大于設定的閾值時即可判斷為屬于彎道的情況。根據所需要的精確度，可以選取適當的閾值。智能車會根據當前的道路情況做加減速控制。

4 巡線中的速度控制策略

相對于智能車這類微機系統電子設備，慣性在加減速過程中造成的影響并不是很大，但為了能夠使得智能車更加高效的到達既定目的地而不偏離原來的行駛軌道，有必要對智能車行駛過程中的速度進行控制。

圖1：黑線循跡示意圖

圖2：光電傳感器原理

在直道行駛過程中，車身抖動對光電傳感器造成的影響較小，因此在直道行駛時可以適當采用較大的速度控制方案。在快要接近彎道的情況下提前將速度設定為可以控制的最大入彎速度，駛離彎道后必須進行加速控制。

在彎道行駛過程中的速度控制是智能車行駛過程中的重點。在入彎的過程中，路況的急劇變化使得光電傳感器的識別壓力增大，出于穩定性考慮，應當適當做減速處理，避免偏離軌道。與此同時，應將速度設置為彎道曲率的線性函數關系，在曲率急劇增大時，速度應將減小到適當的臨界值。若速度沒有降到入彎臨界值，除了在入彎的過程中可能導致偏離軌道的情況，在出彎進入直道時車身也會因調控不及時而出現S形運動軌跡。

在實現智能車速度控制的過程中，除了通過軟件設計實現上述速度控制流程外在硬件方面還要設計合理的電機電流采樣方案，包括使用常用的霍爾電流傳感器和采樣電阻等。

5 總結

在完整的智能車設計中，除了巡線控制外還應有其他各種控制方法輔助智能車完成行駛目標，完善的速度優化算法以及精準的傳感器設備可以幫助智能車更加平穩高效的完成所需要的工作。

智能車的研究是對不斷發展的電子技術在應用與實踐上的檢驗與延伸。智能車不再僅僅局限于使用藍牙、紅外線等短距離信息控制方式，也不再僅僅局限于少數的幾個單一功能。在IOT迅速發展的當下，智能車的應用領域不斷擴展，未來可見的成果也會越來越多。