引言
如何設(shè)計路徑識別方案是參賽隊伍們首先必須面對的問題之一,根據(jù)韓國比賽情況參賽隊伍所采用的路徑識別方案大致可分為兩種：使用光電傳感器和使用CCD攝像頭，其中尤以光電傳感器方案最為常用。本文是基于智能車仿真模型軟件Plastid來進行研究的，該系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)所開發(fā)，可針對不同的賽車、賽道、路徑識別方案、控制策略等內(nèi)容，進行相關(guān)分析。
光電傳感器
本文實驗中采用型號為SG-2BC的光傳感器，它體積小，便于布置安裝，輸出是模擬量。為了模擬試驗的簡便，本文將傳感器的模擬信號都處理成數(shù)字量以便于單片機處理。
對于傳感器的安裝位置，根據(jù)其輸出與反射距離的關(guān)系（如圖1所示）。為便于單片機處理，需要將傳感器輸出電流信號提取出來轉(zhuǎn)化為電壓信號，可以采用采樣電阻或電流-電壓放大器兩種方案。由于本應(yīng)用對精度要求不是很高，采用了采樣電阻提取電壓的方案。
如圖2所示方案，合理的匹配采樣電阻RL和電壓Vcc，使光電管分壓不小于1.5V，可以使采樣電阻分壓與光電流解藕，忽略采樣電阻的負載效應(yīng)。外接5V電源時，采樣電阻可獲得的分壓為0~3.5V，流經(jīng)電流為2mA，所以采樣電阻可取1.7K，為便于調(diào)整使各傳感器一致，可采用2K的可調(diào)電阻。
圖2 采樣電阻提取電壓 圖3 Plastid仿真系統(tǒng)賽車設(shè)置界面
輸入給控制程序，如圖3所示。
布局相關(guān)參數(shù)
有關(guān)傳感器布局的參數(shù)有很多，本節(jié)將主要針對其中最重要的兩個參數(shù)進行定性的討論。
1 傳感器間隔
各個傳感器的布局間隔對智能車行車是有一定的影響的。根據(jù)本屆邀請賽的賽道規(guī)則，中間黑色導(dǎo)引線的寬度為25mm，因此如果要求傳感器間不出現(xiàn)同時感應(yīng)現(xiàn)象（即每次采集只出現(xiàn)一個傳感器值為1），那么傳感器間隔就必須大于25mm。如果將間隔設(shè)計成小于25mm，從而產(chǎn)生更多的情況，有利于車與賽道偏移距離的判斷。此外，如果間隔過大，還會出現(xiàn)另一種情況，即在間隔之間出現(xiàn)空白。
為了便于比較不同的傳感器間隔造成的影響，在Plastid仿真系統(tǒng)中使用相同的控制策略，并且在控制策略中設(shè)定了限制速度（從1m/s按0.5m/s的間隔遞增，直到車出現(xiàn)飛車完成不了單圈為止），賽道也選用韓國大賽的標(biāo)準(zhǔn)賽道進行測試，仿真周期設(shè)為15ms。整個控制策略采用最簡單的分段控制，如圖4中的紅框區(qū)域。仿真得到結(jié)果如圖5所示，根據(jù)仿真的結(jié)果顯示，傳感器間隔對于過彎道精確性以及防止飛車的能力有很大的關(guān)聯(lián)。
圖4 智能車控制流程圖 圖5 Plastid仿真結(jié)果
對于防飛車能力，我們可以用最大限制速度來衡量。20mm間隔的最大限制速度在3m/s，40mm間隔的最大限制速度則為3.3m/s。經(jīng)過分析后，我們認為這是由于傳感器間隔大造成車的橫向控制范圍較大（40mm的車控制在±13mm內(nèi)，而20mm的則在±7mm內(nèi)），因此它不易造成迷失。
2 徑向探出距離
徑向探出距離是指光電傳感器離車頭的徑向距離。它主要影響智能車的預(yù)測性能。對于未知的賽道，如果能早一步了解到前方道路的情況，那么就可以早些做出調(diào)整，從而使車以相應(yīng)最優(yōu)策略通過賽道。所以，理論上探出距離是越大越好，但是如果距離過大，智能車可能會發(fā)生重心偏移，造成行駛不穩(wěn)、振動等一系列問題。因此，為了既能增加徑向距離，又不引起重心偏移，我們可以采用帶傾角的傳感器安裝方式，如圖6（a）（b）所示。
圖6（b）傳感器間隔20mm和40mm 圖6(a) 傳感器帶傾角安裝示意圖
1 一字型布局
一字型布局是傳感器最常用的布局形式，即各個傳感器都在一條直線上，從而保證縱向的一致性（如圖7），使其控制策略主要集中在橫向上。對于不同的間隔選擇，其出現(xiàn)情況數(shù)也相對不同。本仿真試驗采用的是間隔大于25mm 圖7 一字型布局
且兩兩并列的布局方式，這樣在跑車時可以產(chǎn)生13種不同的情況。
首先，對于傳感器有輸出值的（即其中有一傳感器照到黑道）情況，則根據(jù)其所在的位置進行相應(yīng)控制；其次，對于迷失情況，可利用之前哪個傳感器輸出情況來推斷車此時進入哪一段區(qū)域。這里選用兩兩并列就是為了能明確區(qū)分出具體區(qū)域，如果不這樣排列，則當(dāng)出現(xiàn)迷失時，將無法判斷黑道在左邊還是右邊。
2 八字型布局
八字型布局（如圖9）從橫向來看與一字型類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性。將中間兩傳感器進行前置的主要目的在于能夠早一步了解到車前方是否為直道，從而可以進行加速。
圖9 八字型布局
對于智能車能否順利跑完全程，最重要的一點是過彎道，特別是通過比較急的彎道的能力。因此為了能夠更早地預(yù)測到彎道的出現(xiàn)，我們還可以將左右兩端的傳感器進行適當(dāng)前置，從而形成“W”型布局。
值得一提的是，由于縱向的排列不一致，就比一字型更增加了多傳感器同時感應(yīng)的可能性（一字型只可能是所有傳感器同時感應(yīng)，而八字型則可能出現(xiàn)幾個傳感器同時感應(yīng)的現(xiàn)象）。因此，在決定控制策略時，必須要考慮這種情況，但反過來說，我們也可以利用這種情況的發(fā)生來完成一些特定的判斷（比如某彎道角度的確定等），這就需要大家更深入的研究和嘗試了。
其他因素
除了上述內(nèi)容之外，在進行傳感器布局時，還需要注意以下幾個因素：
首先，大賽規(guī)則對于賽道的描述有提到“跑道可以交叉，交叉角為90°”，而在起跑點兩邊還分別有長100mm的起跑線。在比賽時智能車必須通過傳感器將這兩種線區(qū)別開來，因此這也是在傳感器布局時所必須要考慮的問題之一。
其次，與韓國大賽不同，本次大賽可使用至多16個傳感器（韓國比賽為8個），因此在排列上會有更大的自由性，更可以和其他傳感器（例如CCD等）進行配合，從而實現(xiàn)更好的控制效果。
最后，由于本文采用的傳感器輸出值經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此根本上來說，整個智能車的控制必定是不連續(xù)的控制。為了達到更好的控制效果，可以考慮不將傳感器處理成數(shù)字信號，從而達到連續(xù)的控制效果，這也是一個值得探討和深究的問題。
