融合激光传感和视觉传感的路径识别小车设计.pdf

传统路径识别小车往往采用一种传感器实现避障或者巡线任务，但是单传感器路径识别小车往往表现出稳定性不足、前瞻性不足、可靠性不足等弊端，难以在实际生产活动中发挥作用。为了解决以上传统路径识别小车的弊端，本文提出了一种基于 微处理器的多传感器道路识别智能小车设计方案。利用 线性 传感器可实时获取车道线（宽度为 的黑色标线）信息，经过二值化降噪处理后，小车处理器进行路线类型识别程序，路线类型识别后分别输出脉冲宽度调制信号控制舵机和电机实现小车巡线功能。同时为了避免碰撞到障碍物，小车还使用了激光雷达进行障碍物检测。整车测试结果表明，路径识别方案可行，识别算法显著提高小车传感器冗余性和感知可靠性，实验车能很好地实现巡线和避障任务。关键词：智能车；激光雷达；线性 ；图像二值化中图分类号：收稿日期：引言目前，自动引导小车主动避障主流设计方案通常采用红外相机传感器、激光雷达、超声波传感器、摄像头视觉传感器、毫米波雷达实现障碍物感知和路径识别。刘伟等人基于激光传感设计出一款路径识别小车，通过将激光传感器探测赛道两旁的深色线转化成高低电平实现小车路径识别。叶梦君等人设计了一种基于 视觉传感器，通过将采集到的赛道图像信息进行二值化和左右跳变的位置加权偏差函数进行拟合实现小车路径识别。还有一些学者采用磁条导引、电感传感器和金属感应技术来实现智能小车的主动避障和路径识别。现有研究大都仅仅选用单一传感器，在不同使用场景下存在一定的局限性，所以国内一些学者开始利用多种传感器方式进行相对复杂环境下智能小车主动避障和路径识别功能的研究。多传感器信息融合导致出现系统复杂性和开发难度加大、数据融合算法需考虑数据时间一致和准确性、整车功耗增加等问题。为解决以上问题，本文提出一种基于激光传感器和视觉传感器共同作用的方法，实现智能小车的路径识别和主动避障，完成了基于视觉传感器巡线和激光传感器避障的测试验证工作。并且不同于多种传感器信息融合智能车，本方案采用两套传感器系统独立工作，实现小车不同功能，改善传统多传感器信息融合巡线避障小车稳定性不足、数据处理复杂性偏高、软件开发难度大、整车功耗偏高的现状。提高了传统单一传感器路径识别小车传感器种类和数量的冗余性，为基于激光传感器和视觉传感器的障碍物检测和车道线检测的智能小车设计提供理论依据和技术基础。小车结构方案设计本套设计方案主要由单片机组成控制机构，由激光传感器和视觉传感器组成传感机构，由舵机和电机组成动力机构以及车架这部分。小车总体结构如图所示。图小车总体结构示意图技术与应用信 息 化 研 究 年月控制机构由 主控构成。小车使用带编码器的 减速直流电机。由于单片 机 口 的 带 载 能 力 不 强，故 小 车 使 用 电机驱动模块。由于减速电机安装有编码器，故单片机可利用 算法实时监控小车车速。小车转向机构使用阿克曼结构，由 舵机驱动。激光传感器使用 激光雷达。激光 雷 达 采 用 三 角 测 量 法 进 行 测 距，同 时 使 用 、连接器与开发板连接。视觉传感器部分使用 线性 传感器实现小车的巡线功能。车架使用铝合金板双层结构，小车电源、转向机构和直流电机部分安装在中间层受铝合金板保护，开发板安装在上层便于调试。小车上位机选择 设备。系统硬件选型 主控芯片选型小车主控芯片选择 处理器，使用 内核，可处理复杂算法和控制逻辑，并且具有独立的数据总线和指令总线，减少数据和指令冲突的可能性，具有极高的可靠性。同时集成了多种外设接口，其设计有脉冲宽度调制（，）输出口、编码器输入口、采集口等接口，方便小车设计中各种传感器的通信。该型处理器支持多种编程软件和编程语言，如 、等，开发环境丰富灵活性高。处 理 器 包 含 高 性 能 的 内核，运行频率达 ，拥有庞大且丰富 的 设 备 生 态 系 统。该 处 理 器 拥 有 的、的闪存，满足智能车工作时大量数据处理的要求。综上所述，完全满足小车工作时对于处理器的性能、功耗、兼容性的要求。线性 选型小车 的 视 觉 传 感 器 部 分 使 用 线 性 传感器。区别于面阵摄像头，该型传感器由内部的一个 的光电二极管阵列和一个像素数据保持功能组成。线性 传感器信号采集流程如图所示。该传感器只可采集到一行图像信息，并且 个像素点内都有自己的积分电路，积分电路由相关图 线性 信号采集流程图的电荷放大电路和一个内部像素数据保存功能组成。每一个像素所采集到的图像灰度值与它所感知到的光照强度和积分时间（曝光时间）成正比。模块的控制逻辑简单，只需要串行输入（）信号和时钟（）信号，即可控制数据采集。激光雷达选型小车激 光 雷 达 选 用 单 线 程 激 光 雷 达，激光雷达使用三角测量法进行 次测距，结合测得的距离和角度单元测得的角度数据组合成云点数据。激光雷达扫描频率为，扫 描 范 围 为 ，测 距 小 于时 测 距 精 度 为。该型传感器采用标准异步串口单项发送进行数据 通 信。雷 达 与 主 板 的 数 据 通 信 参 数 如 表所示。表 激光雷达数据通信参数表波特率数据长度 停止位奇偶校验流控制 无无该型传感器配备有电动机，通过 算法闭环控制到指定转速。工作电压为，功耗仅 约 为。使用 连接器与开发板连接实现供电和数据接收，激光雷达实物如图所示，具体接口定义和参数如表所示。图 激光雷达实物第 卷第期聂宁，等：融合激光传感和视觉传感的路径识别小车设计技术与应用表 激光雷达接口定义排线颜色信号名类型描述最小值典型值最大值红色输入 电机控制信号 黑色 供电 电源负极黄色 输出 雷达数据输出 绿色 供电 电源正极 该型雷达支持内部调速和外部调速，使用外部调速时引脚需接入方波信号。激光雷达使用左手坐标系，定义旋转中心为坐标原点，雷达正前方定义为零度方向，顺时针方向为正方向。驱动模块选型本方案采用两台尾部集成有编码器的 直流减速电机作为动力平台，减速电机的驱动模块选用东芝半导体公司生产的 驱动模块。单片机 口无法满足减速电机的大电流感性负载，故使用 驱动模块对 口输出信号进行功率放大。该驱动芯片使用 桥结构，双通道输出可同时实现输出双电路驱动两个电机，内置过热保护和低压检测电路，同时该驱动发热小且外围电路简单，只要外接电源滤波电容即可直接驱动电机。该驱动的信号输入范围可高达 ，完全满足小车设计要求。系统软件设计程序开始时，根据使用需求选择小车以视觉传感器模式运行或激光雷达模式运行，即根据操作界面所确定的选项选择串口和串口状态。故在操作界面即可选择小车进入视觉传感器巡线工作模式，或者激光传感器避障工作模式。小车软件系统总体程序流程如图所示。图系统程序流程图 视觉巡线程序设计视觉巡线即为小车按照预先设置的车道线运行，该视觉巡线模块由 线性 传感器组成，内部包含了 个光电二极管，由它产生的图像信号是一个 大小的矩阵。该模块共有个引脚分别为 引脚：负责时钟输入、控制积分时间、像素灰度值的输出和复位；引脚：负责串行输入、控制像素灰度值输出开始点；引脚：负责灰度值输出；引脚：负责供电，接 或者 电源；引脚：负责供电接地。是时钟周期，控制 信号输出。线性 一个完 整 的 采 集 周 期 为：个时钟周 期 和 结 束 采 样 后 距 离 下 一 次 采 样 的 时间，或者 个内部积分器复位时钟周期和积分时间。线性 传感器的 引脚从低电平跳转 到 高 电 平 时，引 脚 此 时 保 持 低 电 平，引脚开始输出数据。所以，当不采集数据时应使 保持低电平。视觉模块数据采集分为触发采集、数据 采 集 两 步。需 要 控 制 引 脚 和 引脚，触发采集条件后控制 引脚读取 引脚的 个电压值并输出。触发条 件 的语 言 代 码 在 系 统 中 执 行 步 骤如下：（）将 引脚拉低，将其设置为。（）将 引脚拉低，将其设置为。（）进行延时操作。（）将 引脚拉低，将其设置为。（）将 引脚拉高，将其设置为。（）进行延时操作，确保 保持高电平至少。（）将 引脚拉高，将其设置为。（）进行延时操作。（）将 引脚拉低，将其设置为。（）进行延时操作。（）进入数据采集部分的语言代码。在数据采集部分的语言代码中，循环从到 ，每次执行以下操作：（）将 引脚拉低，将其设置为。（）进行延时操作，用于调节曝光时间。（）使用 （）函数获取模拟转换的结果，并将结果右移位进行调整。技术与应用信 息 化 研 究 年月（）将 获 取 到 的 结 果 存 储 到 变量中。（）增加 变量的值。（）将 引脚拉高，将其设置为。（）进行延时操作。这样，循环执行完毕后，就完成了数据的采集和存储。整个过程中，通过控制引脚的电平变化，实现了对外部设备的控制和数据采集。赛道中黑线的位置主要是通过检测像素点灰度值的跳变来确定。其原理为：将采集到的像素点灰度值数组与阈值通过 循环比较，当像素点灰度值大于或等于阈值，判定该像素点对应为白底部分；反之，则判定为黑色赛道的引导线，此为二值化算法的基本原理与用法。激光雷达避障程序设计激光雷达避障即为小车利用激光雷达探测到障碍物 并 自 主 躲 避。激 光 雷 达 避 障 模 块 所 使 用 的 激光雷达测距核心采用三角测量法技术，可进行 次测距。每次测距时 激光雷达从一个固定的角度发射红外激光，激光遇被测物体后反射回接收器。通过激光器、目标、接收器形成三角关系从而推算出距离。激光雷达的每一个测量数据由距离值和置信度值组成，信号强度值反映了光反射的强弱。每个点的角度值由起始角度和结束角度插值得出。激光雷达融合角度和距离信息形成点云信息。激光雷达使用串口单向与主控通信，波特率为 ，待波特率稳定后无需命令即可开始发送数据。由于雷达所传输的数据量庞大故无法一次性发送，所以采用数据拆分发送。同时，由于雷达扫描频率与控制函数控制电机频率相差巨大导致雷达更新数据缓慢，所以程序中设置、两个数组，数组直接接收数据，数组等待雷达转动一圈数据接收完后将数组的数据复制到数组中。在雷达避障中需要一大段弧度或者一整圈点的距离数据进行对比和逻辑判断，所以设置雷达输出一整圈全部数据后再更新数据。雷达驱动单元利用 算法驱动电机单元达到指定转速。雷达使用串口通信不需要进行额外设置，雷达避障时只需要在串口中断进行接收即可，小车避障流程如图所示。图雷达避障流程图由于激光雷达的测量数据会存在噪点，所以为减少数据误差应尽量增加调用点的数量。小车在激光雷达避障模式中，首先根据激光点云数据判断 个点中需要进行避障的点，粗略地计算障碍物位于传感器的左右方位。当探测到的距离数据小于预 先 设 定 好 的 距 离（小 车 避 障 距 离 设 定 为 ），小车执行避障程序。小车首先后退，然后检测障碍物方位并控制 舵机转角。经实验调试，设 置 舵 机 转 角 速 度 为 ，直 至 前 方 范围内没有障碍物时 舵机停止转角。电机控制程序设计电机驱动芯片 的引脚直接连接 电源，引脚负责内部逻辑供电，一般输入 或者 电源，引脚接入高电平电机工作，低电平电机停转。、引脚接受单片机的信号，和 分别与单片机 口连接，和 分别接电接的正负极，引 脚 一 个 接 地 另 一 个 接 单 片 机 的 地。、这个引脚控制一路电机，另一路电机控制引脚同上。、引脚一个高电平一个低电平即可使减速电机转动，并且只需改变高低电平即可使电机反转。、引脚一般接收单片机 的信号。使用定时器的模式生成一个可调占空比的正交方波信号，通过更改占空比调整电机转速。本方案采用的电机配备编码器，电机第 卷第期聂宁，等：融合激光传感和视觉传感的路径识别小车设计技术与应用转动时通过编码器中的霍尔传感器、两相输出一定数量的脉冲信号。本方案采用四倍频方式进行编码器数据处理，利用输出的相方波每个跳边沿计数，相方波的每个跳边沿判断电机旋转方向。单片机直接利用编码器的定时器 和 计数，再从相应的寄存器读出数据。使用 系统只需初始化定时器为编码器模式即可使用编码器。电机测速使用了闭环 算法控制，通过编码器的脉冲信号累加测量电机的位置信息并与目标值进行比较得出偏差，然后对偏差进行比例、积分、微分的控制使得偏差趋向于。算法通过语言实现的代码接受 和 两个参数，分别表示当前的编码器值和目标值。函数中定义了 、和 这个静态变量，用于保存上一次的偏差、输出和上一次的偏差。代码的执行步骤如下：（）计算偏差：通过将编码器值减去目标值，得到当前的偏差。（）增量式 控制器：使用当前的偏差、上一次的偏差和控制参数 、，计算出当前的 输出。（）保存上一次的偏差：将当前的偏差保存到 变量中，以便下一次计算使用。（）返回增量输出：将计算得到的输出作为函数的返回值。程序中，为比例项参数；为积分项参数；为微分项参数。影响系统响应速度，其值越大系统响应速度越快，但是过大的响应速度易造成超调量。可消除系统的稳态误差，越小系统稳态误差消除得越快。可改善系统的动态性能。在本方案中 为 ，为 ，为 ，以上个参数通过大量实验获得。系统软硬件联合测试系统测试包括线性 巡线模块测试、激光雷达避障模块测试两部分。线性 巡线模块测试在事先准备好的实验室地面上标记好黑色车道线，将小车线性 摄像头对准车道线安装好，设置小车运行速度为 。给摄像头和主控板上电，主控板和摄像头模块指示灯亮，说明已经接通电源。按下按键在显示屏上选择巡线模式进行测试，此时小车前轮开始自主转向，说明小车已经识别黑线。小车开始沿着黑色车道线稳定行驶并且自行转向。针对此次测试车，道线设置为宽度为 的黑色胶带引线。线性 巡线模块测试图如图所示。图线性 巡线模块测试图 激光雷达避障模块测试将小车放在预先准备好的障碍物环境中，给开发板上电，设置小车运行速度为 。可以看见激光雷达开始旋转，说明雷达开始工作。激光雷达避障模块测试图如图所示。图避障模块测试图小车开始往前行驶，在距离障碍物不足 时，小车开始后退并且 舵机开始转角控制小车转弯，在几次舵机转角后小车成功躲避障碍物。测试实验中选择了几种常见的具有代表性的障碍物，测试小车对于不同材料障碍物的识别与反应时间。检测距离为小车探测到障碍物时小车与障碍物的水平距离，反应时间为小车探测到障碍物开始转向到一次转向结束的时间。从实验结果可以看出，小车对常见材料障碍物具有良好的的探测性并可以及时避障。测试结果如表所示。表避障测试数据表障碍物种类检测距离反应时间金属 泡沫 木板 人体 技术与应用信 息 化 研 究 年月 结束语本文基于 单片机、线性 传感器、激光雷达，提出一种可以实现视觉巡线和激光避障的智能车。在小车车身上安装不同的低功耗传感器可实现小车巡线和避障功能，改善传统单一传感器小车的功能性和多传感器信息融合小车系统复杂性，降低了整车功耗。通过 线性 获取的车道线光信号经二值化降噪算法处理后，提取精确的实时车道线图像进行巡线工作，或者通过 激光传感器获取车辆与路径上障碍物的距离信息形成点云，利用点云信息进行避障工作。与现有的仅依靠视觉传感器小车相比，该方案依靠两套传感器系统拥有更高的可靠性，并且增加了小车传感器的冗余性。配合上位机远程控制小车，选择不同工作模式使得一个小车实现两种不同功能，降低了在工业生产中的设备成本。车体同样使用铝合金板进行搭建，极大地减轻了小车车重，显著提高了小车的加速制动性能和弯道稳定性。参考文献刘伟，童慧芬，郑森伟，等基于激光探测的智能小车系统设计 大学物理实验，（）：叶梦君，黄仰来，雷改惠基于 摄像头智能车系统的设计与实现湖北师范大学学报，（）：杨艳霞，李龙飞，柯博文，等基于 智能避障和巡线小车的设计与实现 福建电脑，（）：熊林正基于多传感器信息融合的汽车定位方法研究汽车维修技师，（）：郑才国，江剑 基于 单片机智能小车设计 工业控制计算机，（）：桑勇，李丹，洪明峰，等基于 线性 的抢道越野机器人的设计 兰州文理学院学报，（）：欧寒芝，匡盈霏，丁慧玉，等一种机器视觉巡线避障小车的设计 电脑与信息技术，（）：叶梦君，张文财基于线性 追逐智能车系统的软件设计湖北师范大学学报，（）：李国柱 基于 摄像头的智能车路径跟踪系统设计现代电子技术，（）：樊鹏辉，杨光永，晏婷，等 激光三角法测距传感器结构设计与参数优化的研究 计算机与数字工程，（）：黄鼎键，杨华山，林辰耀，等 融合超声传感与视觉图像的智能小车避障设计 福建工程学院学报，（）：史旭丹 智能直流电机 调速控制系统 中国高新科技，（）：肖文健，李永科基于增量式 控制算法的智能车设计 信息技术，（）：聂宁（），男，本科生，主要研究方向为车辆工程等。，（，）：，（），（），：；