广西大学学士学位论文

2.4寻迹传感器模块设计

2.4.1 传感器设计方案

路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传送给主控制模块。路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。下面依次具体介绍前两种寻迹方案：

方案一：使用 CCD 传感器来采集路面信息。就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，来进行路径识别的一种寻迹方法。由于跑道只有黑白两种颜色，采用黑白图像传感器即可满足要求。使用 CCD 传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用 CCD传感器也有其不足之处。首先使用 CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，相当繁琐[12]。

方案二：使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。

在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合两种方案比较，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。，其外型如图2.5所示。其内部电路如图2.6所示。

13

广西大学学士学位论文

图2.5 STl88的外观示意图 图2.6 STl88的内部电路示意图 光电传感器由1个红外发射管(发射器)和1个光电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，就可以被处理器接受并处理，进而实现对反光性差别较大的两种颜色(如黑白两色)的识别。

STl88反射式红外光电传感器具有以下特点：

(1)采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 (2)检测距离可调整范围大，4～13ram可用。 (3)采用非接触检测方式。

14

广西大学学士学位论文

2.4.2光电传感器的电路设计

光电传感器的电路图如图2.7所示：

图2.7 光电传感器的电路图

采用LM339比较器电路采集光电传感器电信号并将此信号转为数字信号输出给CPU的I/O口输入。光电传感器电路中R0为红外发射管的限流电阻，当检测到黑线时，红外接收三极管处于截止的状态，从而LM339的正输入端为低电平；相反，当检测到白线时，红外接收三极管处于导通的状态，从而LM339的正输入端为高电平。LM339的负输入端为基准的电压，一般调节为CPU的I/O口高电平的一半，将些基准电压与ST188采集输出的电压经LM339比较输出，从而可以识别出黑线与白线。通过调节W3可以调节光电传感器的灵敏度。

2.4.3光电传感器的安装与调试

寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中的最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入MCU微控制器

15

广西大学学士学位论文

进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车对路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性与有效性对小车稳定而又快速的行驶起着至关重要的作用。我们认为在传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确度和信息检测的前瞻性。

一、寻迹传感器的布局常见的有以下几种方案： 方案一：一字形布局

反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。

方案二：M形布局

传感器呈M形排布。这种方案的优点在于拓宽了边沿传感器的检测范围，更适合于小车快速行进中的弯道检测，但相对一字形布局来说，M形布局不利于信息检测的稳定，易于产生振荡，不利于小车行驶的稳定。

方案三：活动式传感器布局

前面两种方案都是固定的布局方式，使传感器对赛道有一定的依赖。在这个方案中，传感器的位置是可以在一定范围内灵活排布的。这种方案的布局思路是传感器在安装板上的位置是可调的，先将传感器排布成为矩形点阵，根据不同的赛道情况而灵活地作出调整，就可以设计出不同的布局方式而适应不同的赛道。这样对不同赛道有更强的适应性。但这种方案可调性大，临时调节较难，其次机械设计中体积较大，增加了小车的重量，不利于加减速。

综上所述，本次设计采用单排共7个红外传感器等间距一字排列的方式。 二、光电传感器的间距分析

各个传感器的布局间隔对智能车行车是有一定的影响的。道路中间黑色导引线的宽度为15mm，因此如果要求传感器不出现同时感应现象(即每次采集只出现一个传感器值为1)，那么传感器问隔就必须大于15mm。如果将间隔设计成小于15mm，从而产生更多的情况，有利于模型车与道路偏移距离的判断。此外，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空

16