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基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计

收稿日期: 2008- 09- 23. 

光电技术应用

基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计

高月华

(重庆科技学院 机械工程系, 重庆 400042)

摘 要:  介绍了一种自动寻迹智能车的设计, 研究了采用红外反射式光电传感器作为路径采

集模块实现自动寻迹的软硬件设计方法。系统采用 Freescale 16 位单片机 MC9S12DG128 为核心

控制器, 利用 11 个红外光电传感器构成的光电传感器阵列采集路面信息, 单片机获得传感器采集

的路面信息和车速信息, 经过分析后控制智能车的舵机转向, 同时对直流电机进行调速, 从而实现

智能车沿给定的黑线快速平稳地行驶。介绍了光电传感器的寻迹原理, 讨论了光电传感器排列方

法、布局、间隔等对寻迹结果的影响。

关键词:  光电传感器; 智能车; 寻迹; 路径识别

中图分类号: TP23  文献标识码: A  文章编号: 1001- 5868( 2009) 01- 0134- 04

Design of Autonomous Tracing System in Intelligent Vehicle Based on Infrared Photoelectric Sensor

GAO Yuehua

( College of Mechanical Engineering, Chongqing Science and Technology University, Chongqing 400042, CHN)

Abstract:  A design of autonomous tracing system in intelligent vehicle is introduced. The

softw are and hardw are design method w hich realizes the autonomous tracing using the infrared

reflective photoelectric sensors as the path recognition module is researched. T he system employs

Freescale H CS series 16 bit singlechip microcomputer MC9SDG128 as its main controller and an

array of photoelectric sensors for recognizing the path information. Singlechip Microcomputer

energizes the servor to steer and control the speed of the DC electric motor according to the

analysis of the path and speed information from sensors. Consequently, this intelligent vehicle

can track the blackguideline automatically and move forw ard follow ing the line quickly and

smoothly. The autonomous tracing principle of photoelectric sensor is presented. T he effects of

sensors'array, overall arrangment, and space on theautonomous trace are discussed.

Key words:  photoelectric sensor; intelligent vehicle; autonomous tracing; path recognition

0  引言

智能车即轮式移动机器人, 是一种集环境感知、

决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统,

智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技

术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知

识[ 1] 。随着控制技术、计算机技术和信息技术的发

展, 智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非

常重要的角色, 近年来, 智能车在野外、道路、现代物

流及柔性制造系统中都有广泛运用, 已成为人工智

能领域研究和发展的热点。

目前, 智能车领域的研究已经能够在具有一定

标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无

人驾驶, 这些智能车的设计通常依靠特定道路标记

完成识别, 通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。

本文所述智能车就是一种自动导引小车, 能够在给

定的区域内沿着轨迹自动进行行进。小车运行过程

由方向检测和电机驱动两个部分控制, 采用与白色

地面颜色有较大差别的黑色线条作引导。智能车寻

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迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线,

并以最短的时间完成寻迹, 用单片机 AT 89C52 扫

描光电传感器组, 对采集到的信号进行分析处理并

做出逻辑判断后, 得到行进方向, 再通过加长转臂

的舵机驱动前轮转向, 实现智能车的循迹行进。智

能车的驱动采用直流电机, 并采用 PWM 实现直流

电机的调速, 为了使智能车快速、平稳地行驶, 系统

必须把路径识别、相应的转向伺服电机控制以及直

流驱动电机控制准确地结合在一起。本文对智能车

的寻迹、避障及速度控制等进行了研究。

1  红外光电传感器寻迹原理

光电传感器按检测方式通常分为对射式和反射

式。反射式光电传感器的光源有多种, 常见的有红

外发光二极管、普通发光二极管和激光二极管, 前两

种光源容易受到外界光源的干扰, 而激光二极管发

出的光的频率较集中, 传感器只接收很窄的频率范

围信号, 不容易被干扰, 但价格较贵。红外反射式光

电传感器工作时会受到多种不确定因素的影响, 如

反射表面的形状、颜色、光洁度, 以及日光等, 因此,

为了提高系统的可靠性和准确性, 通常是将发射信

号经调制后送红外管发射, 再由光敏管接收调制的

红外信号。接收的反射光强度经检测电路转换得到

的输出信号电压 V out 是反射面与传感器之间距离 x

的函数, 当反射面物质为同种物质时, x 与 V out 的响

应曲线是非线性的[ 23] , 如图 1 所示。设定输出电压

达到某一阈值时作为目标, 不同的目标距离阈值电

压是不同的。

图 1  输出信号与距离的关系曲线

当 x 一定时, 接收的反射光强度还与反射面的

特性有关。在智能车系统中, 红外发射管发射的红

外线具有一定的方向性, 当红外线照射到白色地面

时会有较大的反射, 如果距离 x 取值合适, 红外接

收管接收到反射回的红外线强度就较大; 如果红外

线照射到黑色标志线, 黑色标志线会吸收大部分红

外光, 红外接收管接收到红外线强度就很弱。这样,

利用红外光电传感器检测智能车行驶道路上的黑色

标志线, 就可以实现智能车的自动寻迹。

红外光电传感器的输出可分为数字式与模拟式

两种。数字式红外传感器具有与微处理器相对应的

接口, 硬件电路简单, 但存在采集路径信息粗糙、丢

失路径信息的缺点。模拟式红外传感器输出的模拟

信号, 通过将多个模拟式红外传感器进行适当的组

合形成光电传感器阵列, 可以再现道路的准确信息,

具有较高的可靠性与稳定性。图 2 为沿车道黑色标

志线分布的阵列光电传感器的输出。实际工作时利

用传感器对白色和黑色的反射率大小, 把最大、最小

值之间分为 n 个 index 区间, 通过对各个传感器

index 值的组合来获得车身相对路径标志线的位

置, 从而对位置和行驶方向都能做较精确的控制。

图 2 沿黑色标志线分布的阵列光电传感器输出

2  智能车系统硬件设计

智能车由车架、电源、传感器、驱动电机、转向电

机和单片机控制系统等组成, 如图 3 所示。智能车

的工作过程是: 光电传感器探测路径信息, 转速传感

器检测当前车速, 电池电压监测电路检测电池电压,

并将这些信息输入到单片机控制系统进行处理。通

过控制算法对智能车发出控制命令, 转向舵机和驱

动电机对小车的运动轨迹和速度进行实时控制。

智能车的主控制器采用飞思卡尔半导体公司生

产的 16 位微控制器 M C9S12DGl28, 其具有高度的

功能集成, 易于扩展, 低电压检测复位, 看门狗计数

器, 低电压低功耗, 自带PWM 输出等功能[ 4] 。系统

I/ O 口具体分配如下: PA0~ PA7 及 PB0~ PB2 共

11 位用于小车前面路径识别的输入口; PACN O 用

于车速检测的输入口; PWM 01 用于伺服舵机的

PWM 控制信号输出; PWM 23、PWM45 用于驱动

电机的 PWM 控制信号输出。

电源是智能车系统稳定可靠运行的基础, 智能

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车系统接受供电的部分包括: 传感器、控制器、驱动

电机、转向电机及其他外围辅助模块等。设计中, 除

了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外, 还

要在电源转换效率、噪声和干扰等方面进行优化。

本智能车系统工作电压有+ 5 V 和 7. 2 V 两种电

压, 由 7. 2 V/ 2000 mAh 的 NiCd 蓄电池组直接给

驱动电机和转向舵机供电。5 V 给车速传感器、

MCU 以及光电传感器供电, 5 V 电源的实现是通过

电源管理芯片 LM25755. 0 来实现的。

图 3 智能车系统的组成

智能车的传感器系统包括车速检测传感器和路

径采集传感器, 为了使智能车能够平稳地沿着黑色

线条标记的道路行进, 除了控制前轮转向外, 还需要

控制小车的车速, 使小车能够在直线道路上以较快

的速度行驶, 遇到转弯时能够及时减速, 这样可时刻

把握当前小车的速度, 并根据小车所处的位置来实

时调整小车的速度。采用欧姆龙公司的 E6B2

CWZ6C 型旋转编码器作为车速检测传感器, 该旋

转编码器硬件电路简单、信号采集速度快, 分辨率为

360 脉冲/ 转。旋转编码器与直流驱动电机通过齿

数为 1 ? 1 的两齿轮连接在一起, 所以智能车车轮转

动一圈即可以用 360 个脉冲表示。因此一定时间内

单片机累加器获得的脉冲数值可以用来表示车速,

并可直接作为控制器参数。

智能车在给定的道路上能够自主识别道路并行

驶的关键问题是如何识别标志即探寻黑线, 因此, 准

确的寻线系统是智能车设计的最重要的环节。目

前, 光电传感器与 CCD/ CMOS 图像传感器是较为

常见的应用于路径识别的传感器。光电传感器由于

本身物理结构、信号处理方式的简单而被广泛应用,

但存在检测距离近、预测性差的弱点。CCD/ CM OS

图像传感器能更早地感知前方的路径信息, 但信号

输出方式和数据处理方式复杂, 运算量大, 需要占用

较多的 MCU 资源, 且不适合在小体积系统中使用。

本智能 车 选 择 检 测距 离 为 1 ~ 2 cm 左 右 的

TCRT 5000 反射式红外光电传感器来检测黑白线,

这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件,

T CRT500 的应用电路如图 4 所示。当检测到黑线

时, 由于反射率不高, I c 太小, 三极管 T 截止而输出

高电平。当检测到白色地面时, 由于反射率较高, I d

较大, 三极管 T 饱和而输出低电平, 从而实现了黑

线的检测。LM 324N 构成滞回比较器, 对检测信号

进行整形。

图 4  TCRT500 应用电路

设计中使用了 11 个# 一?字形排列的光电传感

器构成的传感器阵列来进行路径识别, 工作时首先

通过光电传感器阵列检测轨迹黑线的当前位置, 然

后根据检测结果判断智能车与轨迹偏离的情况。若

中间的光电传感器检测到黑线, 则表明智能车未偏

离轨迹, 控制舵机使转向轮不偏转。若左( 右) 边的

光电传感器检测到黑线, 则表示智能车向右( 左) 偏

离轨迹, 越靠左( 右) 的传感器检测到黑线, 表示智能

车向右( 左) 偏离轨迹的程度越大, 控制舵机使转向

轮向左( 右) 偏转, 偏离程度越大, 则偏转角度越大。

若光电传感器没有检测到黑线或是其他的检测结

果, 则表示智能车已脱离轨迹, 则控制舵机使转向轮

保持偏转原有角度不变, 同时控制直流驱动电机使

速度下降到速度最小设定值。

智能车的电机系统包括驱动电机和转向电机

( 即舵机) , 驱动电机是小车前行的直接动力源, 驱动

电机的控制效果直接影响小车的速度以及前行的稳

定性。本设计驱动电机选 用直流电机, 并选用

Freescale 公司的 M C33886 作为电机的驱动芯片,

图 5 为驱 动 电路 电原 理 图, 驱 动电 路 由两 片

M C33886 组成, 目的是为了得到更大的驱动能力,

通过程序改变 IN1 与 IN 2 的 PWM 波形占空比, 可

实现电机的调速与正反转。

舵机采用 Futaba 牌 S3010 型电机, 该舵机扭力

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大, 稳定性好, 角度控制准确。S3010 转动扭矩可达

6. 5 kg  cm, 因此可以充分利用其转矩余量来提高

舵机的响应速度。设计中在舵机转盘和转向拉杆之

间增加了一段输出臂, 这样在舵机角速度恒定的情

况下, 由于输出臂的增长使得转向拉杆移动的线速

度得到提升, 从而可以有效提高智能车的转向灵敏

度。舵机电流变化大, 是个很大的干扰源, 因此, 舵

机采取单独供电。

此外, 为了在线调整控制参数, 智能车上还设置

了键盘和显示等人机接口, 通过按键设置控制参数,

可调用不同的程序以适应不同场地条件的要求。

图 5 电机驱动电路

3  软件设计

智能车的运行控制是根据路径识别和车速检测

所获得的当前路径和车速信息, 控制舵机和直流驱

动电机动作, 从而调整智能车的行驶方向和速度。

控 制 系 统 的 软 件 设 计 基 于 M etrow erks

CodeWarrior 4. 5 编程环境, 使用 C 语言实现。图 6

为控制系统软件流程图。

图 6 控制系统软件流程

4  传感器布局对寻迹的影响

使用光电传感器实现智能车的路径识别, 除了

要求使用的发射/ 接收器件的波长特性一致, 发射/

接收传感器组对时, 各方面性能尽量接近外, 传感器

的安装布局对寻迹效果也有非常大的影响[ 5] 。

对于采用中间黑色导引线的智能车道路, 若要

求传感器间不出现同时感应现象, 即每次采集只出

现一个传感器检测到黑线, 那么传感器间隔就必须

大于黑线的宽度。但如果间隔过大, 就会在间隔之

间出现空白。如果将间隔设计成小于黑线宽度, 则

每次采集就会有多个传感器检测到黑线, 这样有利

于车与赛道偏移距离的判断。

传感器的径向探出距离是指光电传感器离车头

的径向距离, 理论上探出距离越大越好, 因为对于未

知赛道, 如能早点了解到前方道路的情况, 就可早些

做出调整, 从而使车以相应最优策略通过道路。但

如果距离过大, 智能车可能会发生重心偏移, 造成行

驶不稳、振动等一系列问题。因此, 为了既能增加径

向距离, 又不引起重心偏移, 可以采用带倾角的传感

器安装方式, 如图 7 所示。

图 7  传感器的安装方式

传感器的布局主要有一字型与八字型, 一字型

布局是传感器最常用的布局形式, 即各个传感器都

在一条直线上, 从而保证纵向的一致性, 使其控制策

略主要集中在横向上。八字型布局是将中间的若干

传感器前置, 这样增加了纵向特性, 能够早一点了解

到车前方的道路情况。需要注意的是由于纵向的排

列不一致, 八字型比一字型增加了多传感器同时感

应的可能性, 因此, 在决定控制策略时, 必须要考虑

这种情况, 同时, 我们也可以利用这种情况的发生来

完成一些特定的判断, 如确定弯道的角度等。

此外, 光电传感器应尽量靠近地面, 以便减少外

界光源对传感器的干扰。传感器垂直高度一般以

5~ 10 mm 为宜, 离地面过远, 光反射信号差, 信号

不强; 离地面过近, 会导致反射角度太大, 加剧光漫

射干扰的影响。 ( 下转第 145 页)

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离炮口 15. 5 m, 靶距为11 m。表 1 和表 2 为对某口

径炮的出膛速度测量数据。

表 1  没有改进前的天幕靶与网靶比较

弹序 网靶 V w 天幕靶 V t 误差 V= V w - V t

1 960. 6 1 013. 8 - 53. 52

2 968. 3 1 017. 1 - 48. 83

3 964. 2 1 050. 1 - 85. 94

4 970. 3 1 200. 3 - 230. 05

5 963. 5 1 209. 2 - 245. 7

表 2  改进后的天幕靶与网靶比较

弹序 网靶 V w 天幕靶 V t 误差 V w - V t

1 965. 6 963. 7 1. 9

2 967. 7 969. 3 - 1. 6

3 968. 2 966. 9 1. 3

4 967. 3 969. 8 - 2. 5

5 970. 1 968. 4 1. 7

从表 1 的数据来看测量的弹速比网靶的偏高,

且相差较大, 主要原因是天幕靶启动靶的启动不是

由真正的弹丸信号启动, 而是由振动干扰引起。对

停止靶来说, 由于其离炮口较远, 对光的信号影响

小, 输出的信号可能为弹丸所致, 两靶作用在计时仪

的信号间隔相对实际弹丸信号较小, 在相同的靶距

下, 计算出的速度值要大得多。同时, 由于射击弹丸

装药量的误差, 会引起炮口火光的强度不一。由表

2 数据知, 天幕靶与网靶的测量数据比较接近, 也比

较均匀, 平均速度相对误差接近 2. 5 % 。改进后的

天幕靶, 对炮口火光的干扰明显很小, 通过比较分析

知, 采用本设计措施, 可提高炮口测量精度, 扩大新

研制天幕靶的应用范围。

5  结论

在保留了应用阵列光电探测器件为探测核心优

点的天幕靶基础上, 采用拼接光电探测阵列器件的

特点, 将其分为三个探测区, 利用火光同时作用的特

点, 用差分原理电路, 可将炮口火光减少到最低, 使

探测电路输出真正的弹丸成像信息, 提高测速精度,

改善了新研制的天幕靶全弹道应用性能, 可以近距

离测量炮口出膛初始速度, 使外弹道测量使用的天

幕靶研制更上新的台阶。

参考文献:

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[ 7]  李翰山. 光电探测靶探测灵敏度的改善研究[ D] . 西

安: 西安工业学院, 2004: 4548.

作者简介:

李翰山( 1978- ) , 男, 广西上林人, 讲师, 博士研

究生, 主要从事测控与光电测试技术研究。

Email: lihanshan269@ 163. com

( 上接第 137 页)

5  结束语

本文提出了一种基于红外光电传感器寻迹的智

能车系统设计方法, 系统采用 M C9S12DGl28 单片

机做主控制器, 直流电机作执行元件, 完成了智能车

的硬件制作及软件设计。在中间粘贴黑色引导线的

白色 KT 板制成的车道上对智能车进行了测试, 表

明智能车在直道上可以达到很高的速度和稳定性,

在弯道上只要控制好车速, 智能车也能平稳地运行。

参考文献:

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作者简介:

高月华( 1962- ) , 男, 江苏省江阴市人, 硕士, 副

教授, 研究方向为机电一体化。

Email: gaoyuehua2769@ 163. com

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半导体光电! 2009 年 2 月第 30 卷第 1 期 李翰山 等:  天幕靶抗光干扰设计与分析


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