基于激光掃描原理的路徑檢測(cè)方案

　　引言

　　飛思卡爾智能車(chē)比賽的賽道，由白色泡沫材料及其中心的黑色引導(dǎo)線組成，對(duì)賽道信息捕獲的效果好壞，直接決定著智能車(chē)的速度及控制性能。通常采用的路徑檢測(cè)方式，不外乎CCD與光電兩種。CCD方案具有先天的優(yōu)勢(shì)，不僅能得到賽道的豐富信息，而且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的前瞻，對(duì)車(chē)模重量及穩(wěn)定性的影響也很小;而光電方案受傳感器數(shù)量、車(chē)模重量及穩(wěn)定性所限，獲得的賽道信息十分有限，前瞻距離也不足，使得使用光電管方案的隊(duì)伍成績(jī)普遍不如使用CCD方案的隊(duì)伍。

　　是否光電方案就真的不可能得到連續(xù)的、前瞻性好的信息呢?設(shè)想如果只用一對(duì)光電發(fā)射/接收傳感器，利用光學(xué)裝置讓發(fā)射光線形成一條高速掃描線，就可以得到一行完整的賽道信息，如果有3個(gè)這樣的裝置，即可獲得賽道曲率和角度。另外，如果使用能量高度集中的激光作為光源，則檢測(cè)距離可大大增加。正是基于這種想法，我們想到了利用條碼掃描儀中的激光掃描器。

　　激光掃描器正是利用快速擺動(dòng)(或旋轉(zhuǎn))的鏡面，反射能量高度集中的激光束，使激光束的出射角度隨著反射鏡的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生連續(xù)的變化，從而投射出一條掃描線。雖然只有一個(gè)光電檢測(cè)器和一個(gè)光源，但由于反射鏡的高掃描頻率，使得掃描器幾乎可以同時(shí)得到一行的圖像信息。當(dāng)然，我們還需要做許多額外工作，才能將條碼掃描器應(yīng)用于路徑檢測(cè)。

　　激光掃描器檢測(cè)基本原理

　　激光掃描器的基本原理與基于紅外路徑探測(cè)的原理類(lèi)似，但存在如下不同點(diǎn)：

• 　　激光掃描器通常使用波長(zhǎng)為650nm的激光管作為光源，能量高度集中，遠(yuǎn)距離時(shí)光束發(fā)散角仍然很小，檢測(cè)距離遠(yuǎn)且分辨率高，而紅外光電檢測(cè)方案，其光源發(fā)射角大，檢測(cè)距離有限且分辨率低。
• 　　激光掃描器增加一個(gè)可控的振鏡或旋轉(zhuǎn)棱鏡，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè)，可以獲得一維圖像信息，利用多個(gè)(通常3個(gè)就足夠了)一維激光掃描器，可以獲得與CCD方案近似的圖像信息，而一對(duì)紅外光電傳感器僅能獲得一個(gè)“像素”信息，要想獲得足夠的賽道信息，必需足夠多的光電傳感器，受規(guī)則所限的同時(shí)還要考慮到車(chē)模重量及穩(wěn)定性，相對(duì)于CCD方案，光電方案獲得的信息十分有限。

　　我隊(duì)所使用激光掃描器原理如下。

　　光學(xué)部分

　　如圖1所示，激光掃描器光學(xué)部分包含如下裝置：激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、平面鏡、凹面鏡、濾光片、光敏二極管、振鏡。振鏡由三部分組成：反射鏡、固定于反射鏡背面的永磁鐵和用于固定反射鏡的支架，支架可在一定角度內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。由激光管發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡聚焦后，成為平行光進(jìn)入平面鏡，經(jīng)平面鏡反射后穿過(guò)凹面鏡中央的小孔，抵達(dá)振鏡，由于振鏡的周期運(yùn)動(dòng)改變其角度，故光束由振鏡的出射角亦作周期變化，形成掃描線。與此同時(shí)，出射光在賽道上的漫反射光線通過(guò)振鏡鏡面，進(jìn)入凹面鏡的聚焦范圍，經(jīng)凹面鏡聚焦后的光線，通過(guò)中心波長(zhǎng)為650nm的濾光片濾除干擾光后，由光敏二極管轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的光電流，再由后續(xù)硬件電路處理。