吳天強(qiáng)，李浩琦，吳 洲，黃曉陽(yáng)，林文龍

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318020）

智能小車尋線控制與跡線分支識(shí)別方案設(shè)計(jì)

吳天強(qiáng)，李浩琦，吳 洲，黃曉陽(yáng)，林文龍

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318020）

介紹了一種機(jī)器人智能尋跡與跡線分支識(shí)別方法，給出了小車尋線過程中錯(cuò)誤干擾信息的處理方法。利用小車頭部4個(gè)紅外反射式傳感器，讀取的導(dǎo)航路徑信息經(jīng)識(shí)別后，能夠區(qū)分十字路口、丁字路口、左直角轉(zhuǎn)彎、右直角轉(zhuǎn)彎、死路以及起始、終點(diǎn)等基本路徑信息，實(shí)現(xiàn)小車在平面線軌跡地圖中的自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)。

尋跡小車；紅外傳感器；尋線控制；抗干擾

1 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，人們希望機(jī)器人能更加靈活地適應(yīng)各種工作環(huán)境，完成更為復(fù)雜的任務(wù)，研制能夠代替人類在危險(xiǎn)，惡劣環(huán)境下工作的具有一定自主能力的輪式機(jī)器人是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1］。

智能尋跡電動(dòng)小車是一個(gè)運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體，它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用［2］。

光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在智能尋跡小車等應(yīng)用領(lǐng)域獲得快速發(fā)展，本文以紅外反射式光電傳感器在智能尋跡小車中的應(yīng)用為例，通過實(shí)例設(shè)計(jì)，說明一種尋線控制與跡線分支識(shí)別的方法。

2 尋線控制

尋線控制是尋跡小車的基本功能，能使小車按照固定引導(dǎo)線前進(jìn)，當(dāng)小車與引導(dǎo)線發(fā)生偏移時(shí)，小車能夠自動(dòng)調(diào)整以消除偏差，使小車前進(jìn)方向與引導(dǎo)線方向保持一致［3］。尋線控制效果好壞與傳感器的數(shù)量多少、布置方式密切相關(guān)。傳感器數(shù)目越多，尋線控制效果越好，但是，大量的傳感器會(huì)帶來布局安裝困難和復(fù)雜的尋跡算法。為提高尋線識(shí)別能力，引導(dǎo)線與背景之間色差區(qū)別越大越好，如白色與黑色，對(duì)光線反射與吸收差別明顯，有利于傳感器區(qū)分引導(dǎo)線所在位置。

圖1 紅外反射式傳感器布局示意圖

圖1給出本文設(shè)計(jì)的4個(gè)紅外反射式光電傳感器的“一”字型布局位置示意圖，其中，引導(dǎo)線黑色、背景白色，②③號(hào)傳感器均需壓在引導(dǎo)線正上方，①與②、③與④傳感器間距略大于引導(dǎo)線寬度。

為方便說明，設(shè)傳感器檢測(cè)到引導(dǎo)線輸出為“1”，檢測(cè)到背景輸出為“0”，并假定用小方框表示傳感器，方框內(nèi)的顏色表示傳感器的取值，規(guī)定用“□”符號(hào)表示該傳感器取值為“1”狀態(tài)，“■”符號(hào)表示該傳感器取值為“0”狀態(tài)，則圖1的取值是：②③傳感器檢測(cè)到引導(dǎo)線，取值為1，用“□”表示；①④傳感器未檢測(cè)到引導(dǎo)線，取值為0，用“■”表示。圖1的①②③④四個(gè)傳感器取值表示為“■□□■”，對(duì)應(yīng)編碼為“0110”。

在上述的規(guī)定下，表1與表2給出傳感器與引導(dǎo)線之間相對(duì)位置變化時(shí)對(duì)應(yīng)的尋線控制關(guān)系。表1是小車右轉(zhuǎn)尋線控制，表1編號(hào)1的數(shù)據(jù)與圖1的表述相一致，故小車運(yùn)動(dòng)控制為直行；表1編號(hào)2的數(shù)據(jù)表示引導(dǎo)線位置介于②④傳感器之間且③傳感器輸出為1，對(duì)應(yīng)輸出編碼為0010，因?yàn)閭鞲衅魈幱谛≤囌胺剑源藭r(shí)車身略偏于引導(dǎo)線左方，故以右轉(zhuǎn)速度1運(yùn)動(dòng)使車身緩慢回調(diào)到引導(dǎo)線正上方。表1編號(hào)4的數(shù)據(jù)表示只有④傳感器在引導(dǎo)線上方，車身相對(duì)于引導(dǎo)線的位置左偏較多，需要以右轉(zhuǎn)速度2快速回調(diào)來進(jìn)行車身位置修正。

表1 右轉(zhuǎn)尋線控制

表2 左轉(zhuǎn)尋線控制

表1編號(hào)3的數(shù)據(jù)編碼為0000，需要調(diào)用上一次檢測(cè)的數(shù)據(jù)來判別當(dāng)前小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于小車運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)只有兩種情形：一是表1編號(hào)2，二是表1編號(hào)4，這兩種情形都表示引導(dǎo)線落在③④傳感器之間，即確定小車處于左偏運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)車身回調(diào)也分兩種情形：若調(diào)用數(shù)據(jù)為表1編號(hào)2，表示小車運(yùn)動(dòng)略有左偏，以右轉(zhuǎn)度1緩慢回正；若調(diào)用數(shù)據(jù)為表1編號(hào)4，小車運(yùn)動(dòng)左偏較多，需以右轉(zhuǎn)速度2快速回正。表2與表1的控制情況類似，不同之處是表2的控制方向?yàn)樽髠?cè)。

表1與表2中編號(hào)2的數(shù)據(jù)用于車身略有偏離時(shí)的回調(diào)修正控制，編號(hào)3的數(shù)據(jù)可抑制快速回調(diào)時(shí)由于慣性引起的振蕩，編號(hào)4的數(shù)據(jù)則實(shí)現(xiàn)較小角度急轉(zhuǎn)彎時(shí)的連續(xù)尋線轉(zhuǎn)彎控制功能。

3 跡線分支控制設(shè)計(jì)方案

尋線控制只能實(shí)現(xiàn)小車依照單一引導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，無法識(shí)別復(fù)雜的路徑信息，如引導(dǎo)線交叉的十字路口、丁字路口等路況識(shí)別，顯然，若要實(shí)現(xiàn)跡線地圖導(dǎo)航，則需增加跡線分支識(shí)別功能。簡(jiǎn)單的導(dǎo)航地圖可由十字路口、丁字路口、左直角轉(zhuǎn)彎、右直角轉(zhuǎn)彎、死路、起始點(diǎn)、終點(diǎn)以及直或彎曲的引導(dǎo)線等8種基本要素組成，跡線分支設(shè)計(jì)即是給出上述前7種地圖要素的識(shí)別方案。

圖2 小車進(jìn)入十字路、丁字路口示意圖

十字路口具有對(duì)稱性，小車進(jìn)入十字路口只有一種情形，而丁字路口可分為三種情況，如圖2小車準(zhǔn)備進(jìn)入十字路、丁字路口示意圖所示。以小車進(jìn)入十字路口為例說明傳感器取值變化過程如下：小車進(jìn)入十字路口時(shí)，傳感器壓在橫向引導(dǎo)線上必定會(huì)出現(xiàn)全“1”，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)后傳感器離開橫向引導(dǎo)線，中間的②③傳感器壓在豎向引導(dǎo)線上輸出為“1”，兩邊①④傳感器輸出為“0”，由此判定當(dāng)前為十字路口。盡管小車運(yùn)動(dòng)過程可能會(huì)偏離引導(dǎo)線，但是正常情況下，②③傳感器至少有一個(gè)壓在豎向引導(dǎo)線上。綜上所述，識(shí)別十字路的編碼特征是傳感器先出現(xiàn)全“1”后變成②③中至少有一個(gè)為“1”且①④為“0”。

其他路口編碼特征見表3跡線分支識(shí)別設(shè)計(jì)方案，共有8種路況信息分別說明如下：丁字路口1的編碼特征是出現(xiàn)全“1”后為全“0”，丁字路口2的編碼特征是先出現(xiàn)①②必為“1”且④必為“0”，然后取值變?yōu)棰冖壑兄辽儆幸粋€(gè)為“1”且①④為“0”，丁字路口3的編碼特征是先出現(xiàn)③④必為“1”且①必為“0”，然后變成②③中至少有一個(gè)為“1”且①④為“0”；左直角轉(zhuǎn)彎與丁字路口2的區(qū)別是后出現(xiàn)的編碼必定是全“0”，右直角轉(zhuǎn)彎與丁字路口3的區(qū)別在于后出現(xiàn)的編碼也是全“0”；死路的編碼特征是始終為全“1”，其終止線條寬度至少是線導(dǎo)線寬度的3倍；起點(diǎn)、終點(diǎn)使用相同的編碼，其特征編碼是“1001”。

表3 跡線分支設(shè)計(jì)方案

4 抗干擾處理

表3給出的是小車車身與引導(dǎo)線保持平行一致時(shí)的編碼取值，實(shí)際小車在尋線控制調(diào)整前進(jìn)過程中，車身不可能完全與引導(dǎo)線保持平行，這會(huì)造成傳感器編碼識(shí)別錯(cuò)誤。圖3給出一種可能的錯(cuò)誤跡線分支識(shí)別過程，其中，虛線串起的方框表示四個(gè)傳感器所在直線位置。圖3(a)表示由于尋線車身控制調(diào)整，小車處于傾斜進(jìn)入死路標(biāo)記識(shí)別區(qū)前的豎向引導(dǎo)線上，傳感器輸出編劇碼為：0110；圖3(b)是車身傾斜導(dǎo)致四個(gè)傳感器不能同時(shí)壓在橫向引導(dǎo)線上，傳感器輸出編碼為：1100；圖3(c)表示傳感器部分離開死路標(biāo)記識(shí)別區(qū)，輸出編碼為：0011；所以上述的輸出編碼屬于表3編號(hào)3的情況，即將死路標(biāo)記識(shí)別成丁字路口2。

圖4給出一種正確的死路標(biāo)記識(shí)別過程。分析圖3(b)狀態(tài)到圖3(c)狀態(tài)，必定會(huì)出現(xiàn)圖4(b)和圖4(c)的狀態(tài)，因此，在小車前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中必須快速連續(xù)讀取傳感器輸出的編碼信息，以捕捉圖4(b)(c)狀態(tài)，只要捕捉到這種狀態(tài)即可判定為死路標(biāo)記。

采用表3的跡線分支識(shí)別方案，在尋線控制程序中提高編碼“1111”處理優(yōu)先級(jí)，這樣可以把表3中的8種狀態(tài)分成兩大類，即一類是出現(xiàn)“1111”的跡線分支標(biāo)記信息，另一類則不會(huì)出現(xiàn)全“1111”的編碼，即是表 3編號(hào) 3、4、5、6的四種情況。

圖3 錯(cuò)誤的死路標(biāo)記識(shí)別過程

圖4 正確的死路標(biāo)記識(shí)別過程

出現(xiàn)編碼“1111”的十字路口、起點(diǎn)或終點(diǎn)、丁字路口1及死路等4種狀態(tài)的第二個(gè)特征編碼分別是0110、1001、0000與1111，這4個(gè)第二特征編碼的差異大，抗干擾能力強(qiáng)；表3編號(hào)3、4與編號(hào)5、6狀態(tài)的第二特征編碼分別是0110與0000，即是有1與無1的區(qū)別，亦容易區(qū)分。

綜上所述，本文的跡線分支設(shè)計(jì)方案，宜采用快速、連續(xù)采集傳感器數(shù)據(jù)，并提高編碼“1111”的處理優(yōu)先級(jí)，可增加跡線分支識(shí)別的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

以使用紅外反射式傳感器的智能尋跡機(jī)器人小車為例，利用4個(gè)排列在小車頭部的“一”字型紅外反射式傳感器，在小車運(yùn)動(dòng)過程讀取黑色引導(dǎo)線構(gòu)成的路徑信息，給出一種導(dǎo)航尋線控制與跡線分支識(shí)別的設(shè)計(jì)方案；詳細(xì)介紹了因車身與導(dǎo)航跡線不平行而產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息抗干擾處理方法；該方案能夠區(qū)分十字路口、丁字路口、左直角轉(zhuǎn)彎、右直角轉(zhuǎn)彎、死路以及起始、終點(diǎn)等基本路徑信息，可以實(shí)現(xiàn)小車在平面線軌跡迷宮地圖中自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)。

［1］李閱薄，羊彥等.雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)底盤控制算法設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（3）：481-483.

［2］劉燕，劉志.基于單片機(jī)控制的自主尋跡電動(dòng)小車的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2007，（3）：9-11.

［3］寧慧慧，余紅英.基于紅外光電傳感器的智能車兩輪差速轉(zhuǎn)向模糊控制［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23（2）：94-95.

Design of Tracing and Branch Identification for Intelligent Automobiles

WU Tian-qiang，LI Hao-qi，WU Zhou，HUANG Xiao-yang，LIN Wen-long
(Taizhou Vocational College of Science&Technology,Taizhou 318020,China)

A new method of tracing and trace branch identification about robots is introduced in this paper,and how to deal with interference in the process of tracing is also discussed.After the navigation information from the four infrared reflective sensors equipped in the forepart of intelligent automobiles is identified, automobiles will be able to identify the path such as crossing,T-shaped crossing,right turn,left turn,dead ends,starting point and terminals,and then autonomous navigation movement in the planimetric map can be realized.

intelligent automobiles’tracing;infrared reflective sensors;tracing control;anti-interference

周小莉）

TG146.4

A

1672-3708（2012）03-0025-05

2011-07-16；

2011-09-21

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助（2010R461003）

吳天強(qiáng)（1977- ），男，浙江天臺(tái)人，工程碩士，講師，主要從事機(jī)電工程教學(xué)研究工作。

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