融合激光传感和视觉传感的路径识别小车设计.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、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
10、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
11、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。
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