基于激光扫描原理的路径检测方案

基于激光扫描原理的路径检测方案A Scheme of Route Detection Based on Laser Scan Concept作者：陈妮亚林位腾北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院时间：2009-06-19 来源:电子产品世界关键词：飞思卡尔智能车路径检测激光扫描引言飞思卡尔智能车比赛的赛道，由白色泡沫材料及其中心的黑色引导线组成，对赛道信息捕获的效果好坏，直接决定着智能车的速度及控制性能。

通常采用的路径检测方式，不外乎CCD与光电两种。

CCD方案具有先天的优势，不仅能得到赛道的丰富信息，而且可实现远距离的前瞻，对车模重量及稳定性的影响也很小;而光电方案受传感器数量、车模重量及稳定性所限，获得的赛道信息十分有限，前瞻距离也不足，使得使用光电管方案的队伍成绩普遍不如使用CCD方案的队伍。

是否光电方案就真的不可能得到连续的、前瞻性好的信息呢?设想如果只用一对光电发射/接收传感器，利用光学装置让发射光线形成一条高速扫描线，就可以得到一行完整的赛道信息，如果有3个这样的装置，即可获得赛道曲率和角度。

另外，如果使用能量高度集中的激光作为光源，则检测距离可大大增加。

正是基于这种想法，我们想到了利用条码扫描仪中的激光扫描器。

激光扫描器正是利用快速摆动(或旋转)的镜面，反射能量高度集中的激光束，使激光束的出射角度随着反射镜的运动产生连续的变化，从而投射出一条扫描线。

虽然只有一个光电检测器和一个光源，但由于反射镜的高扫描频率，使得扫描器几乎可以同时得到一行的图像信息。

当然，我们还需要做许多额外工作，才能将条码扫描器应用于路径检测。

激光扫描器检测基本原理激光扫描器的基本原理与基于红外路径探测的原理类似，但存在如下不同点：∙激光扫描器通常使用波长为650nm的激光管作为光源，能量高度集中，远距离时光束发散角仍然很小，检测距离远且分辨率高，而红外光电检测方案，其光源发射角大，检测距离有限且分辨率低。

∙激光扫描器增加一个可控的振镜或旋转棱镜，实现动态扫描检测，可以获得一维图像信息，利用多个(通常3个就足够了)一维激光扫描器，可以获得与CCD 方案近似的图像信息，而一对红外光电传感器仅能获得一个“像素”信息，要想获得足够的赛道信息，必需足够多的光电传感器，受规则所限的同时还要考虑到车模重量及稳定性，相对于CCD方案，光电方案获得的信息十分有限。

我队所使用激光扫描器原理如下。

光学部分如图1所示，激光扫描器光学部分包含如下装置：激光二极管、准直透镜、平面镜、凹面镜、滤光片、光敏二极管、振镜。

振镜由三部分组成：反射镜、固定于反射镜背面的永磁铁和用于固定反射镜的支架，支架可在一定角度内自由旋转。

由激光管发出的光线经准直透镜聚焦后，成为平行光进入平面镜，经平面镜反射后穿过凹面镜中央的小孔，抵达振镜，由于振镜的周期运动改变其角度，故光束由振镜的出射角亦作周期变化，形成扫描线。

与此同时，出射光在赛道上的漫反射光线通过振镜镜面，进入凹面镜的聚焦范围，经凹面镜聚焦后的光线，通过中心波长为650nm的滤光片滤除干扰光后，由光敏二极管转换成与光强相对应的光电流，再由后续硬件电路处理。

电路原理如图2所示，激光扫描器包括以下电路。

控制电路: 用于控制和和监视各个模块电路工作，若发生故障，则立即关闭激光管的输出，以避免高能量的激光点光源对人眼造成伤害。

激光管驱动电路：用于驱动激光管发出激光束。

由于激光管的输出功率受温度影响较大，故通常在激光管内部设有一个光敏二极管，以监测激光功率。

驱动电路使用此光敏二极管的输出信号构成功率闭环控制电路，从而稳定激光管的输出功率。

振镜驱动电路：振镜驱动电路用于驱动电磁线圈产生大小、方向可控的磁力，作用在反射镜背面的永磁铁上，从而控制振镜的往复运行，形成扫描线。

同时，振镜驱动电路还输出一个用于指示扫描起始的同步信号，用于后续信息处理。

电流—电压转换电路(I/V转换电路)：光敏二极管所产生的是随光强变化的电流，为便于后续电路处理，设置电流—电压转换电路，将光强转换为电压信号。

二值化：由光强转换得到的电压信号，经过动态阈值比较器，转换成0或1的二值化数字信号，分别指示了条码中的黑线与白区，最后由外部条码解码系统得到条码信息。

硬件电路电路设计目的激光条码扫描器输出的信号并不能直接用于赛道路径检测，主要原因如下。

∙为了准确检测到宽度为mil级的条码，激光扫描器的光源光斑直径非常小，其二值化输出信号对被测物十分敏感，以至于赛道上的黑斑、破损、缝隙等均可能导致错误输出，给后续的处理带来了困难，也大大降低了可靠性。

∙出于安全考虑，小型激光条码扫描器都使用小功率的半导体激光管，功率通常不会超过5mW，检测距离有限，并且使用时要求光束尽可能与条码面垂直，以获得足够的反射光。

为了使小车获得足够的前瞻，我们希望其检测距离能达到70cm左右(自车头开始计)，并且为了稳定重心，希望扫描器的安装位置尽可能低，这势必增大扫描线与赛道垂直面间的夹角，扫描器的反射光将大幅减少，使扫描器的检测距离与要求相差甚远。

为了解决这些问题，我们仅利用扫描器的光学系统和振镜驱动电路，自行设计其他附属电路，主要设计如下。

∙直接从扫描器中的I/V转换电路引出光强信号，结合其扫描同步信号，利用自行设计的电路完成赛道检测的硬件电路部分。

∙将原扫描器上的小功率激光二极管更换成相同波长、同种封装的大功率激光二极管。

我们使用的是50mW的激光二极管，但原先的驱动电路不能与之匹配，故自行设计了激光驱动电路，并稍稍调整激光二极管的安装位置，有意使其偏离准直透镜的焦点位置，从而使扫描线适当加粗，降低扫描器对干扰目标的敏感度。

赛道引导线的基本检测原理如图3所示，示波器的CH1接扫描同步信号，同步信号一个周期代表着两个扫描周期：高电平部分为从左到右扫描，低电平部分反之。

通道CH2为I/V电路输出的光强信号波形，由实验可知，此波形中凹槽的宽度、位置与赛道中央黑色引导线的宽度、位置相对应，改变扫描线与引导线的相对位置，凹槽的位置也相应改变。

值得注意的是，随着同步信号的高低电平变化，凹槽的位置呈水平镜像翻转。

实验得出：光强信号的幅值是不稳定的，与赛道的反射率有关：反射率大时，光敏二极管输出的电流相对较大，信号的幅值也相对较高，反之亦然，此外，与引导线对应的波形凹槽部分，其幅度也只有十几毫伏，基于这两种原因，如果简单地使用阈值比较器，不能稳定地检测引导线。

通过分析信号波形，我们可以发现引导线信号(即波形中的凹槽部分)的两个特点：∙电压变化率(du/dt)最大，分别出现在引导线的两侧;∙引导线信号的宽度与实际宽度呈对应关系。

由此，可以利用微分放大电路获得两个大幅度、方向相反的du/dt信号(如CH3所示)，再利用两个比较器将两个信号检出(CH4)，最后由DG128的输入捕捉模块测量出脉冲的宽度与位置。

激光驱动电路大功率半导体激光二极管通常不带有光敏检测管(PD)，因此，我们没有使用功率闭环电路，而是采取了一个可调恒流源控制电路，使激光二极管的输出功率能在合适的范围内调节。

如图4，电路的核心部分是由LM317L(三端可调稳压器)构成的恒流源电路，其最小输出电流为1.25V / (R22 + R10) ≈ 57mA，最大输出电流为1.25V/(R22)≈ 104mA。

恒流电路为激光二极管提供了稳定的驱动电流，保证激光二极管的输出功率符合要求。

此外，为了在待机状态下减少功耗，电路中设计了关闭激光管的功能(由Q2、R21、U3F构成)。

信号检测电路完整信号检测电路如图5，考虑到激光扫描器内的光敏二极管输出信号十分微弱，而我们自行设计的电路与扫描器有一定距离，如果直接将光敏二极管引入到我们的测量电路，会产生较大的干扰，因此，我们从扫描器内的I/V电路的输出引出光强信号，I/V 输出电路的阻抗较低，可以有效防止信号被干扰，如果读者无法找到这个信号，可以在离光敏二极管尽可能近的位置，使用微型封装的单运放电路实现一个I/V电路，参考电路如图6。

Uout=If×Rf需要特别指出的是，由于光敏二极管产生的电流极小，应该使用低偏置电流的运放(fA级)，例如LMC6462。

光强信号首先经过一个截止频率为34kHZ的二阶RC有源滤波电路，滤除高频信号，降低电路系统对诸如小黑斑、缝隙等干扰目标的敏感度。

截止频率的选取与扫描速度有关，扫描速度越高，截止频率应该随之提高，在较低的扫描速度下，还可以进一步降低截止频率，以降低对干扰目标的敏感度。

滤波器的输出信号经过R29送由U1B为核心的微分放大器，这也是路径检测电路的核心，微分放大电路的传递函数为Uo=-RC(dui/dt)，dui/dt即为输入电流的变化速率，R=R47+R44，C=C18。

R29的作用如下：一是限制微分放大电路的输入电流，防止小幅度的电压阶跃信号被当作引导线信号，调整R29的阻值可以改变输入电流的大小;二是防止微分放大电路的容性输入负载对前级运放电路的影响。

稳压二极管D1和D2是用于防止U1B因为输出幅度过大导致运放进入深度饱和状态，影响运放对输入信号的响应能力，原理如下：当运放输出电压超过4.6V时(需要加上D2的正向导通电压0.7V)，D1被击穿，将输出幅度限制在4.6V左右，当运放输出电压低于0.4V时(同样需要加上D1的正向导通电压0.7V)，D2被击穿，将输出幅度限制在0.4V，需要注意的是：必须使用反向漏电电流低的稳压管，以防止稳压管的等效电阻降低微分放大电路的增益。

由于我们需要U1B工作在两个象限：对应输入电流变化率为正的上跳变和输入电流变化率为负的下跳变，而电路的工作电压为单电源，因此，我们利用电路中的R32和R34将运放的同相端加上一个12V/2的偏置，这样就可以在两个象限输出信号。

图3中的CH2与CH3分别是微分电路输入/输出信号的波形，可以很清楚地观察到微分放大电路的作用。

微分放大电路的输出经过R22和C33滤除可能存在的尖峰脉冲后送入由U4A和U4B构成的比较器，分别将符合幅度条件的上跳变信号和下跳变信号分别检出，并经过U7E和U7B反相器(带施密特整形)送入由D触发器构成的RS触发器，触发器的输出波形见图3中的CH4所示，由于此波形中的脉冲代表了扫描线相对引导线的位置信息，下文将称之为“脉冲信号”。

至此硬件电路完成了对引导线的检测与波形处理。

软件实现将激光扫描器安装在小车的正上方，使扫描线中心点位于车身的轴线上。

改变小车轴线距引导线中心的位置y，记下脉冲信号相对于同步信号的偏移位置x，测得一组数据。

用最小二乘法拟合可得出y与x的对应关系：y=k×(x+ref ) (1)其中直线斜率k与零位偏移ref的值与扫描器安装的位置有关。

此外，测量脉冲信号(图3中CH4)宽度，可知此宽度与引导线的宽度成比例关系。