毕业设计（论文）-光电智能车道路信号检测电路的比较与优化设计与分析.docx

学校代码： 11509 学 号：0805070281hefei university 毕业论文（设计）bachelor dissertation 论文题目：光电智能车道路信号检测电路的比较与优化 设计与分析 学位类别： 工 学 学 士 学科专业： 自动化 作者姓名： w x 导师姓名： c z 完成时间： 2012年5月27日 光电智能车道路信号检测电路的比较与优化设计与分析中 文 摘 要智能车竞赛分为光电组、电磁组和摄像头组。路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。在光电组中，以光电传感器进行赛道的检测是非接触式测量，其测量电路构成形式多样。本次课题设计旨搜集智能车赛事中的光电传感器电路，在对典型的光电传感器电路进行设计，对电路的性能进行比较与分析的基础上，提出优化的方案，并且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。路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。关键词: 光电传感器； 智能车；性能比较；布局comparison and analysis of intelligent cars road signal detection circuitabstractthe intelligent vehicles competition is divided into the photoelectric group, electromagnetic group and camera group. path identification module is one of the key modules of the intelligent vehicles, path identification programs directly related to the final performance,so determine the type of path identification module is a key to determining the intelligent vehicles overall program.detecting the track by photoelectric sensor is non-contact measurement. the measurement circuit have many forms. the subject is designed to collect photoelectric sensor circuit in the national college studentsintelligent vehicles competition,and appropriatly design some photoelectric sensor circuits, comparison and analysis of the performance of the circuits,make some the optimized programs.the effect s of sensor s array , overall arrangment , and space on t heautonomous t race are discussed.key words : photoelectric sensor；intelligent vehicle；overall arrangment ； comparison of the performance5目录第一章 绪论31.1选题的意义与背景31.2研究现状与动态31.3课题研究的内容与本文的组织结构31.3.1课题的研究内容31.3.2 本文的组织结构31.3 本章小结3第二章 传感器电路与关键技术32.1传感器模块的描述及其原理32.2传感器电路的种类32.3.1红外对管传感器电路32.3.2激光传感器电路32.3关键技术32.3.1激光的调制处理和信号放大32.3.2信号的接收32.4本章小结3第三章 设计方案和测试33.1.红外对管传感器电路33.1.1红外管传感器电路的设计33.1.2红外管传感器电路的测试33.2三极管放大的激光传感器电路33.2.1三极管放大的激光传感器的设计33.2.2三极管放大的激光传感器电路的测试33. 3反相器放大的激光传感器电路33.3.1反相器放大的激光传感器电路的设计33.3.2反相器放大的激光传感器电路的测试33.4电路制作中出现的问题及解决方法33.5优化方案33.5本章小结3第四章 传感器布局34.1传感器布局的常见种类34.2传感器布局与前瞻性的关系34.3传感器间的干扰及其解决方案34.4本章小结3第五章 总结与展望35.1 论文工作总结35.2 未来研究工作展望3参考文献3致 谢3附录 系统实物图333第一章 绪论1.1选题的意义与背景随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高， 光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点， 令其发展十分迅速， 并推动着信息科学技术的发展1。它将光学技术与现代电子技术相结合， 广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。本文从光电检测技术本身特点出发，研究光电检测技术在智能车单路信号检测模块上的应用2。光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一， 它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础， 通过对被检测物体的光辐射， 经光电检测器接受光辐射并转换为电信号， 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息， 再经模/ 数转换接口输入计算机运算处理， 最后显示输出所需要的检测物理量等参数3。而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4。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5。智能车要实现在城市繁忙道路上完全无人驾驶，尚有很多研究工作要但是通过这辆车来研究一些关键技术，并且把它们应用到实际工程中去，还是可行的6。譬如在汽车定位、导航中的应用；又如多种传感器信息处理，如果将二维图像与激光雷达的信息融合起来，可以得到更确切的道路或环境的信息；传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航，辅助人们把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚的汽车安全辅助驾驶；在仓库、码头、工厂、机关、营房、住宅区或者危险、有毒、有害的工作环境里，自动驾驶或遥控驾驶技术有着广泛的应用前景，如无人值守的巡逻监视、设备的维护修理、物料的运输、消防灭火等等7。光电智能车以光电传感器进行赛道的是非接触式测量，在近几年的飞思卡尔智能车竞赛中，其出现的测量电路构成形式多样，本课题旨在通过查阅资料，搜集目前赛事中运用的测量电路，进行比较分析，并提出优化设计的思路。1.2研究现状与动态路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。尽可能大的前瞻性，才会使智能车有更大的提速空间8。因为最终目的是竞速，所以速度是第一位，而要想提高赛车速度，需要尽可能远地采集到路况信息，即增大前瞻量，这样才能提前进行判断，做出转向、加速或减速等动作9。通过查阅相关资料，了解到目前常用的寻线技术有：光电寻线、磁诱导寻线和摄像头寻线，光电循迹是其中的一个重要组成部分10。在前些年的智能车竞赛中，光电检测部分大多用的都是红外检测方式，其优点是电路简单，处理方便，但是前瞻性不够，无法快速得到道路信息一直是其一大诟病。而在最近几年出现了许多激光传感器电路，抗干扰性强，前瞻性大，具有很大的优势，渐渐地取代了红外传感器电路11。1.3课题研究的内容与本文的组织结构1.3.1课题的研究内容本文旨在搜集近几年的飞思卡尔智能车竞赛中出现的光电智能车道路信号检测电路，熟悉光电检测电路的工作原理，并且设计一些常用的光电传感器电路，对电路的进行性能比较和适当的仿真，以使研究出一些可行的优化方案。1.3.2 本文的组织结构第一章：介绍了选题的意义和背景，研究课题的现状、动态，以及所要研究的具体内容。第二章：对传感器模块进行了描述，介绍了几种传感器电路和设计传感器电路时需要注意的一些关键技术。第三章：设计了几种光电传感器电路，并且进行了实物测量及仿真，提出一些优化的方案。本章是此次课题的主要内容。第四章：介绍了一些常见的传感器布局方式，对传感器布局与前瞻性间的关系进行了分析。第五章：对本次课题研究进行总结，指出设计中的一些不足之处，并对后续自己的研究工作做出计划。1.3 本章小结本章简要的介绍了光电检测技术和智能车的背景和发展前景。概括地论述了近几年全国大学生智能车竞赛光电智能车道路信号检测电路的发展，并且总体上介绍了本文地组织结构。随着光电检测技术的成熟和智能车的普及，光电智能车发展前景更加强大。而对于光电智能车来说，路径识别是整个系统的关键，路径识别的好坏，直接关系到整车性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是智能车总体方案设计的关键11。第二章 传感器电路与关键技术2.1传感器模块的描述及其原理光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一， 它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础， 通过对被检测物体的光辐射， 经光电检测器接受光辐射并转换为电信号， 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息， 再经模/ 数转换接口输入计算机运算处理， 最后显示输出所需要的检测物理量等参数12。光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠性高，能实现路径参数的非接触式测量。其工作原理如图1所示：图1 光电检测技术工作原理图在光电智能车的道路信号检测电路中，光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光线，经地面反射到接收管13。如图2所示： 黑色材料 白色材料图2 道路信号检测模块工作原理示意图由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来14。采用光电传感器的优点是传感器信号采集处理速度快，能够在较短的时间内进行复杂的算法运算，结构简明，成本低廉,免去了繁杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于对近距离路面情况的检测15。但光电传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的判别，检测距离有限，也就决定了速度的局限性。而且容易受到诸如光线等干扰的影响，抗干扰能力较差，环境光源、传感器器件之间的差异、传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。考虑到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16。2.2传感器电路的种类2.3.1红外对管传感器电路红外检测方式的原理是通过红外发光管发射红外线光照射跑道，跑道表面与中心线具有不同的反射强度，利用红外接收管可以检测到这些信息。通过合理安排红外发射/接收管的空间位置可以检测到车模前方道路相对车模的位置，再通过信息处理软件将道路信息处理后反馈给控制电路，由此驱动小车循线运行在跑道上。红外检测设计虽然存在一定的简洁性，但我们如果想要设计好一个性能好的检测模块还是存在一定难度的，其中红外检测首先我们需要考虑的有：（1）发射/接受管的选择与安装；（2）消除红外发射/接收管的相邻干扰；（3）控制红外发射功率；（4）红外接收信号的接口电路的设计17。2.3.2激光传感器电路激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级e1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级e2。光子能量e=e2-e1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级e2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光18。 激光具有3个重要特性:高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上；高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。所谓“激光”，是由字头l（light，光）、a（amplification，放大）、s（stimulated，受激）、e（emission of，发射）、r（radiation，电磁波）构成的laser，即“辐射受激发射光量子放大”的简称。是一种亮度极高，方向性和单色性很好的相干光辐射。现在，不仅在通信、信号处理，就连医学、能源等可以说所有领域都在广泛使用激光技术19。激光传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红光，经跑道面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色面上大部分光线被吸收，而白色面上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强不一样，由白色面反射回来的大量光线直接导致接收三极管导通，而由黑色面反射回来的光线不能导致接收三极管导通，信号输入到单片机中便是高电平和低电平，这样就可以将黑白路面区分开来。要提高速度并保证在入弯时不冲出赛道，就必须增加传感器的“视野”，也就是智能车的前瞻，以便及时减速。而一般的红外光电管所能提供的前瞻就只有10-20cm，对于高速行驶的赛车前瞻太低。所以通过比较，发现市场上的激光管有比较好的性能，它可以照射很远的距离依然有很高的强度，根据激光特性，除了激光的入射光和反射光是最强的以外，其他的所有散射光的强度都是相同的，在此情况下，实际测量发现激光可以看到50cm以上的距离，对于赛车的前瞻性大有好处，可以适当把光照调远，实现前瞻性循线控制。2.3关键技术2.3.1激光的调制处理和信号放大所谓调制，是按照人类应用需求，对光波进行调节和控制。在激光传感器电路中，激光接收管需要接受一定频率的光波，所以需要发射部分发射出稳定频率的光波。在本次课题设计中我选择了调制管直接进行调制，同样可以使用单片机代替，用pwm调制同样频率，同样占空比的信号来驱动发射管，得到一个大约180khz的光波。在信号放大部分，选择了三极管放大和反相器放大。激光调制分为内调制和外调制两类。内调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。例如通过直接控制激光泵浦源来调制输出激光的强度。内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性实现调制。 外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数（强度、频率等）。外调制是当前人们较重视的一种调制方法。2.3.2信号的接收在接收部分电路中，接收管需要上拉4700左右的电阻。这是因为，如果不接上拉电阻，会引起逻辑混乱。就是说如果不接这个上拉电阻，会出现无论照到黑的还是白的，接收管接收到的都是同一个电平。上拉电阻旁边可以接指示灯，起指示作用，让我们比较直观的看到接收管接收回来的信号明显的变化；另外，接收管的电源需要接0.1uf的电容，起到滤波作用。 2.4本章小结本章简单描述了传感器模块的工作原理，介绍了红外传感器电路和激光传感器电路。以下列出路径传感器类型优点和缺点。红外传感器：优点：电路设计相对简单，检测信息速度快，成本低。缺点：道路参数检测精度低种类少，检测前瞻距离短，耗电量大，占用mcu端口资源较多，容易受外界光线影响。激光传感器优点：检测前瞻距离远，受外界光干扰小，检测信号数字化。缺点：电路设计相对复杂，成本高，质量大。第三章 设计方案和测试3.1.红外对管传感器电路检测电路主要由红外发射管和红外接收管组成。此电路尺寸小、质量轻、灵敏度高，外围电路简单。由于采用了红外发射管，电路不易受到普通光源的干扰，能够准确的实时检测。为了让小车能高速行驶，小车必须具备一定的前瞻性。理论上，小车能感知的距离越远，那么就有更多的时间来处理前方的情况，也会跑的更好。但是受到硬件电路功率的制约和大赛对车身长度的限制，我们就通过传感器对地面角度来增加前瞻距离。检测电路的工作原理：由于黑线和白纸对红外光的反射系数不同，使红外接收管上产生不同的电压信号，通过ad 对这个电压的采集并转换成数字信号进行处理，根据ad 值的情况来判断黑线的位置，从而实现对小车角度和速度的控制。3.1.1红外管传感器电路的设计红外对管传感器电路设计的元器件包括三个电阻，一个滑动变阻器，一对红外对管，一个led灯，一个lm324比较器和一个5v的稳压电源。电路原理图如图3所示：图3 红外对管传感器电路图1、电路接入5v电压，红外发射管会发出红外光线，当光照射到黑色物体时，红外接收管接收不到光线，接收管阻值很小，滑动变阻器阻值不变，经过比较器，输出低电平，led灯导通，led指示灯亮。2、电路接入5v电压，红外发射管会发出红外光线，当光照射到白色物体时，会有部分光线被红外接收管接收，导致红外接收管阻值急剧增大许多倍，使lm324两个输入端大小发生变化，输出端输出高电平，led灯断开，led指示灯暗。3.1.2红外管传感器电路的测试首先需要测量红外传感器电路的前瞻性。将红外传感器悬空在离路面10cm的空中，在电路前方放置黑白相间的纸，来测量led灯的通断，由此来测量传感器的前瞻性。实验测得红外管前瞻性为8.3cm。为了直观的显示电路的输端的电压信号变化，利用示波器测量输出端的电压波形。测试设备是示波器，测试环境如图4所示：图4 红外传感器电路波形测试环境图测得输出端信号波形如图5所示：图5 红外对管传感器电路输出端电压波形图3.2三极管放大的激光传感器电路3.2.1三极管放大的激光传感器的设计智能车光电组的寻迹可采用红外传感器或激光传感器。和红外线相比，激光有定向发光、亮度极高、单色性好等优点，因而激光传感器比红外传感器有更远的的前瞻。红外传感器受外界红外光的干扰很大，而激光传感器几乎不受外界光干扰。因此我设计了激光传感器电路。由于普通接收三极管很容易受到太阳光等其他光源的干扰，因此使用只能接收特定频率光源的接收三极管，这样就可以避免太阳光等其他光源的干扰，但是必须将激光调制到能接收的范围内，这样才能被接收三极管准确接收。对激光进行调制，这样接收三极管更容易接收，也在一定程度上增大了前瞻。激光调制就是利用激光作为载波进行调制的过程。激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。三极管放大的激光传感器电路包括发射电路和接收电路两个部分。发射电路的元器件包括两个22的电阻，一个100左右的电阻，一个激光调制管，一个激光发射管，一个s8050d三极管，一个聚光透镜和一个5v的稳压电源。电路原理图如图6所示：图6 三极管放大的激光传感器发射电路图在发射部分，经过调制管，便输出180khz的频率，经过三极管s8050d放大之后驱动发射管，使发射管以180khz的频率，20%-30%的占空比发射出650nm的光线。图中22的下拉电阻起到调节调制管幅值的作用，电阻r3起到调节激光发射管亮度的作用，其阻值可以根据激光发射管的亮度和传感器的前瞻性进行变化，以达到较好的效果。调制管输出的电压是一个脉冲信号，当输出电压是高电平时，s8050d三极管导通，ce两端电压近乎为零，激光发射管导通。当调制管输出低电平时，s8050d三极管截止，激光发射管断开。经过反射后，接收管接收到反射回来的黑白信号，输出高低电平，由单片机识别，从而达到识别路径的功能。这里，调制管的作用是制出180khz的频率，我们同样可以使用单片机代替，用pwm调制同样频率，同样占空比的信号来驱动发射管。接收部分电路元器件包括一个4.7k的上拉电阻，一个1.5k的电阻，一个0.1uf电容，一个led指示灯，一个激光接收管和一个5v的稳压电源。激光接收管的型号需要与发射电路中的调制管一致，以便能接收到同一频率的光波。电路原理图如图7所示：图7 三极管放大的激光传感器电路接收电路图激光接收管有常态低电平和常态高电平两种。在此次设计中我选择了常态低电平的激光接收管。当激光接收管没有接受到光波时，激光接收管管脚2输出高电平,这样led指示灯两端电平均为5v，led指示灯不亮。当激光接收到光波时，管脚2输出低电平，这样led指示灯导通。电路图中激光接收管管脚2和5v电源间接了一个上拉电阻是必要的，否则会引起逻辑混乱，在管脚1与电源间接了一个电容起到滤波作用。在安装透镜的时候，要使透镜的焦点刚好落在接收管的凸点，这样激光管反射回来的光线可以更多的被接收管感应。调节透镜比较麻烦，需要慢慢地调，使其达到较好的效果。然后再固定透镜。3.2.2三极管放大的激光传感器电路的测试光电组要想跑的的快，大的前瞻是必要的，其中的道理也不用我说了。所以首先需要测量激光传感器电路的前瞻性。将激光传感器悬空在离路面10cm的空中，在电路前方放置黑白相间的纸，来测量led灯的通断，由此来测量传感器的前瞻性。在此次测量中通过改变r3阻值来改变激光发射管的亮度，从而增大前瞻。在没有安装透镜时，测量的数据如表1所示：表1 安装透镜前前瞻性测量表r3阻值（）75100120前瞻距离（cm）13.615.111.7在安装透镜后，测量的数据如表2所示：表2 安装透镜后前瞻性测量表r3阻值（）75100120前瞻距离（cm）52.755.751.8由表1和表2的数据可得，r3选择100大小，前瞻性较好。为了直观的显示电路中电压信号的变化，需要使用示波器来测量调制管、激光发射管、接收管输出的电压波形。测试设备是示波器，测试环境如图8所示：图8 三极管放大的激光传感器电路波形测试环境图调制管输出的电压波形如图9所示：图9 三极管放大的激光传感器电路调制管输出电压波形图发射管两端的电压波形如图10所示：图10 三极管放大的激光传感器电路发射管两端电压波形图接收管输出的电压如图11所示：图11 三极管放大的激光传感器电路接收管输出电压波形图结果分析：当激光传感器检测到白线，接收管输出端电压为5v,指示灯暗；当激光传感器检测到黑线，接收管输出端电压为0v,指示灯亮。3. 3反相器放大的激光传感器电路3.3.1反相器放大的激光传感器电路的设计反相器放大的激光传感器电路同样包括发射电路和接收电路两个部分。发射电路的元器件包括一个75的电阻，一个激光调制管，一个激光发射管，一个hd74ls04反相器，一个聚光透镜和一个5v的稳压电源。具体电路图如图12所示：图12 反相器放大的激光传感器电路原理图在发射部分，经过调制管，便输出180khz的频率，经过反相器hd74ls04放大之后驱动发射管，使发射管以180khz的频率，20%-30%的占空比发射出650nm的光线。图中75的下拉电阻起到调节调制管幅值的作用。调制管输出的电压是一个脉冲信号，当输出电压是高电平时，反相器接收到高电平，输出低电平，激光发射管导通。当调制管输出低电平时，反相器接收到低电平，输出高电平，激光发射管断开，这样就避免了激光发射管长时间点亮了。经过反射后，接收管接收到反射回来的黑白信号，输出高低电平，由单片机识别，从而达到识别路径的功能。 这里，调制管的作用是制出180khz的频率，我们也同样可以使用单片机代替，用pwm调制同样频率，同样占空比的信号来驱动发射管。接收部分电路元器件包括一个4.7k的上拉电阻，一个1.5k的电阻，一个电解电容，一个led指示灯，一个激光接收管和一个5v的稳压电源。激光接收管的型号需要与发射电路中的调制管一致，以便能接收到同一频率的光波。具体电路图如图13所示：图13 反相器放大的激光传感器电路原理图激光接收管有常态低电平和常态高电平两种。在此次设计中我选择了常态低电平的激光接收管。当激光接收管没有接受到光波时，激光接收管管脚2输出高电平,这样led指示灯两端电平均为5v，led指示灯不亮。当激光接收到光波时，管脚2输出低电平，这样led指示灯导通。电路图中激光接收管管脚2和5v电源间接了一个上拉电阻是必要的，否则会引起逻辑混乱，在管脚1与电源间接了一个电容起到滤波作用。反相器放大的激光传感器电路的接收部分与三极管放大的激光传感器电路的接收部分是一样的。3.3.2反相器放大的激光传感器电路的测试首先需要测量激光传感器电路的前瞻性。将激光传感器悬空在离路面10cm的空中，在电路前方放置黑白相间的纸，来测量led灯的通断，由此来测量传感器的前瞻性。通过测量，在未安装透镜时，前瞻距离达到17.7cm，安装透镜后，前瞻距离达到了55cm。为了直观的显示电路中电压信号的变化，需要使用示波器来测量调制管、激光发射管、接收管输出的电压波形。测试设备是示波器，测试环境图14所示：图14反相器放大的激光传感器电路波形测试环境图调制管输出的电压波形如图15所示：图15 反相器放大的激光传感器电路调制管输出电压波形图发射管两端电压波形如图16所示：图16 反相器放大的激光传感器电路发射管两端电压波形图接收管输出的电压波形如图17所示：图17 反相器放大的激光传感器电路接收管输出电压波形图结果分析：当激光传感器检测到白线，接收管输出端电压约为5v,指示灯暗；当激光传感器检测到黑线，接收管输出端电压约为0v,指示灯亮。3.4电路制作中出现的问题及解决方法（1）在反相器放大的激光传感器的电路设计过程中，用示波器的两个表笔测试发射管的两端，正常范围为2.83.2v的波形，如果用电表测在1v左右，测试的结果正常，接上发射管也正常发光，可是手碰了一下之后发射管就衰减了，这里就是静电在搞鬼了，发射管产生静电，严重情况下，会损坏发射管，需要更换激光发射管。（2）接收管一般是比较容易坏的，在把接收管焊接上去之后，用发射管去对射他，可以接收到信号，但是在对焦的时候掰了一下接收管的金属管脚，之后就发现接收管无论有没有接收到光都是只输出一个电平信号，这个接收管就用不了了，静电就是这样侵略接收管的。（3）在设计三极管放大的激光传感器电路时，由于串联在激光发射管的电阻阻值选择不当，导致激光发射管发射出的光亮度不够，电路的前瞻性很小，达不到预期的标准。为此我重新分析了电路，并且尝试了不同阻值的电阻，最后达到了效果。3.5优化方案通过上述的传感器电路的设计和测试仿真，可以得出一些关于传感器电路的优化方案：（1）对于发射管的亮度，可以调节与发射管串联的电阻的阻值，已达到最好的亮度，提高前瞻性。（2）在接收管部分，需要加入一些聚光作用的物品。对于红外传感器，在接收管部分可以套上热缩管；对于激光传感器，可以在激光接收管上套个聚光透镜，调整透镜的位置已达到好的聚光效果，这样可以极大地增加传感器电路的前瞻性。（3）0.1uf电容一定要，否则高频影响；上拉电阻一定要，否则会逻辑错误。（4）激光传感器电路的前瞻性远远大于红外传感器的前瞻性，所以光电智能车的道路信号检测电路可以多尝试应用激光传感器，可以获得更大的前瞻。3.5本章小结本章具体阐述了对光电智能车道路信号检测电路的设计方案和具体测试仿真方案。其中总共设计了三种传感器电路，包括红外对管的传感器电路，三极管放大的激光传感器电路和反相器放大的激光传感器电路,并且对所设计的电路进行了测量和仿真。激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传感器，可以达到40-50 cm，对于智能车来说已经足够。激光传感器和红外传感器对信息的采集原理大致相同。激光发射管的优点是信号更强，前瞻更远。但是激光发射管不能一直处于激发状态，所以需要选择合适的激光管、接收管。为了能够更好的接收到激光返回的信号，我在接收管外部增加了大透镜，这样大大的提高了接收管前瞻，为提高智能汽车的速度奠定了基础。第四章 传感器布局4.1传感器布局的常见种类（1）“一”字形布局 : “一”字形布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上，其排布如图21所示： 图18 “一”字形布局示意图（2）“八”字形布局: “八”字形布局从横向来看与“一”字形布局类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性，其排布如图22所示：图19 “八”字形布局示意图（3）“w”形布局:为了能够提早地预测到弯道的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“w”形布局，此外，还可利用“w”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光电管排布如图23所示： 图20 “w”形布局示意图（4）双排分布: 此排布从横向来看是一字型的，横向增加一排，它利用双排前瞻对路况进行分析，通过两排管子对路况进行判断，然后根据两排管子不同的黑线位置可以提前判断出弯道路况，从而控制舵机转向20。4.2传感器布局与前瞻性的关系 各个传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精确性以及防止飞车有很大的影响。 设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角），从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性好。 光电传感器的布局可以采用“一”字形布局、“八”字形布局和“w”字形布局等形式，也可以采用一排安装或多排安装的形式。对于具体的智能车赛事而言，根据赛道规则中间黑色导引线的宽度为25mm，要求传感器个数最多为 16个。除过一个速度检测传感器，可用于探测路径的传感器为15个。传感器的安装一般要满足传感器下面的道路中心线可以引起一个或者相邻两个传感器响应为准，而传感器允许的布置宽度为250mm 。因此设定传感器的间隔时既要满足一定的密度以保证过弯道时轨迹相对精确，又要尽可能的防止舵机盲目打舵降低智能车的速度. 径向探出距离是指光电传感器距离车头的径向距离。它主要影响智能车的前瞻性。由于舵机、电机和车都是高阶惯性延迟环节，从输入到输出需要一定的时间，越早知道前方的赛道信息，就越能减小从输入到输出的滞后。检测智能车前方一定距离的赛道叫做前瞻，在一定的前瞻范围内，前瞻越大的传感器布局方式，其极限速度就会越高。在转弯过程中，由于能探测到赛车前方较远位置的赛道信息，有大前瞻的赛车就会出现不完全沿线走，而是在拐弯内侧前。4.3传感器间的干扰及其解决方案 普通的红外检测无法避免的一个问题就是外界红外光的干扰问题，尤其是用传统的方法去检测远方的道路信息时，由于红外发射管发出去的光一部分会反射掉，漫反射回来的红外线中还参杂着外界阳光中的红外线成分，容易使接收管饱和。消除这种干扰可以采取以下几种措施：（1）选择发射与接收方向性好的光电传感器。（2）对于红外传感器而言，可以选择发射与接收一体化的红外传感器，它的外壳可以抑制相邻干扰。 （3）在红外接收管上安装黑色套管，使其只接收前方一定角度内的红外光线，这种减小互扰动的措施效果较好。 （4）使相邻的红外发射/接收管交替工作（即“点火”）。这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰，同时也降低了整体传感器的功耗。 对于激光传感器而言，通过调制产生调制光除了防止外界可见光干扰的目的外的另外一个目地是防止激光发射管损坏，由于激光发射管的特性限制，它不能像红外发射管一样持续发光，必须间断性发光，否则就会因为过热而性能衰退甚至损毁。一般调制频率为180khz到205khz之间，占空比为20%30%。由于相邻发光管相互之间会发生干扰的情况，所以必须采取分时发光的方式，就是在某一时刻只有一个激光发射管在发光。由于微控制器有足够的i/o口，所以采用多路传感器并行输入的方式，有利于提高路径检测信息的获取速度。由于传感器输出为数字量，缺少相互之间的平滑过渡，所以在实验的基础上，针对传感器检测到路径时不同的组合方式进行分类处理，在软件上采用了位置插值细化的办法，不仅可以得到更加精确的路径位置信息，同时还可以消除随机干扰的影响。在多个激光发射管的传感器电路里，需要这使用了分时发射，使用分时发射既可以防止激光干扰，又可以把几个接收管当多个使用，在不同的时段接收的信号判别出车子在不同的位置。对于分时发射，可以使用三极管做开关作用，也可以使用场效应管起开关作用，也可以使用译码器（比如74ls138）进行分时发射。4.4本章小结本章介绍了一些常用的传感器布局方式，并且理论上分析了传感器布局与前瞻性的关系，论述了传感器间的干扰及其解决方案。第五章 总结与展望5.1 论文工作总结本着易实现、易操作、低成本的原则，本设计基于红外传感器和激光传感器的应用，完成了三种常见的光电智能车的道路信号检测电路的设计，并且对传感器的前瞻性和性能进行的检测，并且就其进行了分析。通过本次设计，我了解了飞思卡尔智能车赛事的基本情况，熟悉了光电传感器电路的原理，应用红外对管设计了一个红外传感器电路，应用激光管和激光调制原理设计了激光传感器电路，其中还包括三极管放大和反相器放大的电路。在设计了传感器电路后，对设计的电路进行了实物检测，得到了一些优化的方案。之后对传感器的整体布局进行了理论阐述和分析，搜集了“一”字型布局，“八”字形布局等布局方式，还论述了传感器间的干扰及其解决方案。飞思卡尔智能车光电组的车子越跑越快，大有超越摄像头的架势，激光传感器电路作为智能车的循迹部分，对于智能车的运行具有重要作用，具有较高的前瞻性便能保证智能车在跑道上高速前进，所以本课题的研究与设计具有重要的使用价值。5.2 未来研究工作展望本次可以设计中还存在一些不足与改进的地方，例如:聚光透镜的安装不是特别恰当，导致前瞻性不够好；没有对多个发射管同时工作的电路进行设计，只对传感器布局的关系进行了理论分析；对于激光传感器的放大部分可以再尝试更多的方法。因此，下一步工作的重心是在现有功能的基础上结合实际，进一步完善光电智能车道路信号检测电路，真正实现智能化。参考文献1 王玲，孙波. 红外光电传感器自动寻迹智能车的设计与实现j. 沈阳理工大学学报，2010，vol.34，no.4：17-20.2 赵汝海. 红外光电管智能车的设计与实现m. 北京：教育出版社，2009.3 邱迎.道路自动识别与控制的智能车系统的研究j. 重庆大学，2010，vol.21，no.3：14-15. 4 尹洁，徐耀良，盛海明，等.基于飞思卡尔的自主寻迹智能车的设