双排传感器循迹策略研究

摘要： 本文以循迹策略为主要研究对象，以采用双排传感器的智能车为例，做出了优化的直线、大弯、S弯等不同道路情况的循迹策略。经实验证明，此策略紧密结合双排红外的特点，发挥出了双排的优势，使智能车实现了以稳定为先，并追求极限速度的要求，适应能力强，能在各种赛道上均有出色发挥。
关键词： 双排；传感器；路径识别；循迹策略

双排传感器的优势

　　目前，大多数智能车采用单排传感器的道路检测方式，这种方式获得的道路信息少，对智能车的状态和道路的状况都不能很好地区别，造成控制上的麻烦。为了弥补不足，形成了大前瞻的单排传感器的道路检测方式，这种方式检测的距离更远，能够更早地判断出道路的走向，在一定程度上弥补了检测精度低的缺点，但也无法有效地区分智能车状态与道路状况。

　　比赛的车模可选用摄像头或传感器的方式进行道路信息检测，我们的车模采用的是双排红外的循迹方式，采用大前瞻双排传感器可以得到更多的赛道信息，更早地采取策略处理，形成更好的行车轨迹。是采用复杂的摄像头方案的一种替代方式。

　　可以在直道中实现稳定控制，加速顺畅的能力；在S弯中以小曲线的方式前进，减少行进路线和舵机调整次数。在大弯中实现提前转弯，切内弯的效果。尤其是在转弯方面，通过前后排共同对弯道的预测，达到延伸物理识别距离的能力，从而做出提前的动作，减少由于检测距离近而带来的负面影响，达到上述效果。

传感器阵列布局

　　图1中仅以接受管示意传感器位置。

图1 传感器阵列布局

　　布局方式说明
　　·前排传感器伸出距离较远，小车中心偏离黑线后，会在前排传感器上产生较大偏移量。

　　·后排传感器伸出距离较近，小车中心偏离黑线后，会在后排传感器上产生较小偏移量。

　　·利用前后排传感器对小车偏移时不同的敏感度对小车进行控制。

　　·为了使前后排体现出更明确的分工和采集到更远处的信息，我们把前排传感器倾斜约45o角，使前排的前瞻距离更大，更能体现出前排的优势和特点。

直道识别方式、控制策略

　　直道识别方式
　　(1)采用此种方式布局双排红外，对于直道的判别方法可有以下5种物理方式，每种方式应用的时机列在表后。

　　第一种直道情况(图2)

图2 第一种直道情况

　　在左转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于左转 90°弯、180°弯。提前得到出弯信息，舵机向左转动较小角度，并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不足的作用。此情况在赛道的s弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。

　　第二种直道情况(图3)

图3 第二种直道情况

　　此情况是对第一种情况的再确认，左转大弯并经过第一种情况后，再经历此种情况，可确认无误前方为直道，继续提升小车的加速能力。控制程序由弯道程序切换到直线稳定程序。

　　第三种直道情况 (图4)

图4 第三种直道情况

　　此时采取直线稳定控制。由于前两种情况已经明确识别为直道，此种情况只是增加直道识别的成功率。

　　第四种直道情况(图5)

图5第四种直道情况

　　与第二种情况类似，对第五种情况的再确认，右转转大弯并经过第五种情况后，再经历此种情况，可确认无误前方为直道，继续提升小车的加速能力。控制程序由弯道程序切换到直线稳定程序。

　　第五种直道情况(图6)

图6第五种直道情况

　　在右转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于右转转 90o弯、180o弯。提前得到出弯信息，舵机向右转动较小角度，并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不足的作用。在赛道的s弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。

　　(2)直道识别，程序辅助确认

　　进入弯道后，随着小车的行进，会发生振荡，致使出弯时不一定满足上述5种情况。为了提高直道的识别成功率，增加第二种直道判别方法。两者同时起作用，满足第一种后经过最多15ms确认是直道。

　　程序是循环执行，我们的程序执行频率是2KHz。采用定时中断(15ms)的方式，对前排中间3个传感器(编号为3、4、5)使用3个计数器分别计数，每次执行程序若是其中一个检测到黑线，相对应的计数器加1。经过计算，15ms内所能计数的最大值为31。我们设定计数的最大值，若在15ms内达到所要求的计数值，就认为是直道，切换直道程序并将计数器清零；若15ms内没有达到所要求的计数值，计数器清零，重新计数。例如小车为2m/s的速度，小车行进3cm。我们只要判断2~2.5cm内为直道即可。所以设最大计数值为20~25即认为是直道，跳出弯道程序。

　　当然也可以采用更严格的方法来判断，只需调整定时中断的时间和计数值即可。此条件在进入直道后总能满足，所以作为第一种直道判别方式的补充，保证直道的稳定可靠识别。

直线稳定控制策略

　　小车出弯后，由于舵机的反应不灵敏，智能车会发生振荡，随后才能达到稳定，为了尽早减小振荡，采用如下方式控制小车出弯后的动作：

　　在弯道策略中设置标志位，进入直线程序后，识别标志位，对控制舵机转向的公式采取修正设置。公式为：q=K1q1+K2q2；其中q为最终送给舵机的控制量，q1为前排光电传感器的返回转角值，q2为后排红外返回转角值。K1、K2分别为前后排传感器的加权比例值。通常情况下K1、K2为

　　1，需要时则改变赋值。

　　当小车从弯道进入直道并成功识别出直道后，减小K1的值，由于后排传感器距离小车的前轮(转向轮)很近，小车中心偏离黑线时，不会在后排传感器横向位置产生很大位移(相对于前排传感器)，故小车在直线上舵机调整的次数就会明显减少，直线的稳定性会好。同时，根据前后排不同传感器的组合，给出不同的转角策略(在程序中以列表的方式体现)，近一步提高直线的稳定控制能力。

参考文献：

1．邵贝贝，单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]，清华大学，2004
2．卓晴等，学做智能车，北京航空航天大学出版社，2007.3