2.22激光传感器
激光的原理及特性
激光的英文名为LASER，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的首字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。即激光的产生源自于受激辐射。激光主要有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。我们的智能车采用的便是5mw激光传感器。
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。如图2-1，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。
图2-1 光电传感器原理
2.3系统总体方案的设计
在选定智能汽车系统采用上排光电传感器、下排红外传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，红外用于检测起跑线或者作为激光的辅助检测，两者接收到信号后，经 MCU 的 I/O 口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部发出 PWM 波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制，以及伺服电机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主巡线行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经 MCU 捕获后定时通过 PID算法自动进行速度控制，完成智能汽车速度的闭环控制。
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电机驱动模块测速模块 飞思卡尔系列芯片MCU舵机驱动模块电源模块激光传感器模块 图2-2 系统的总体框架
2.4小结
本章重点介绍了通过对激光传感器采集到的道路信息控制转向舵机；通过编
码器返回值和其它反馈信息对汽车模型进行速度控制的总体框架。也是作为初学者的我们花费时间最多的地方之一，该部分的稳定性直接决定整个系统设计的稳定性。
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第三章 智能车机械改造设计
智能小车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程序都需要通过智能小车的机械结构来执行和实现。为使模型车在比赛中发挥出最佳性能，使其直线行驶高速稳定，入弯转向灵活，结合现代汽车控制理论对智能车的运动特性进行分析，并据此对智能小车的机械结构进行相应的调整和参数优化。
3.1车体机械建模
智能汽车竞赛光电组专用B型车模
图3.1 B型车模
根据往届比赛的一些经验，我们在规则允许范围内主要对模型车进行一下一些调整。
为保证智能车行驶稳定，转向轻便灵活，需要对其机械结构进行调整和改造，以使其更适合高速运行使用。以下是需要改造的部分：
（1）车身高度
车身高度指的是当车子满载的时候，底盘离地面的高度。为了降低重心，需要适当降低底盘高度。
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（2）前轮角度
Toe角度（束角）是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。车轮前端向内倾（内八字），称为Toe-in，车轮前端向外倾（外八字），称为Toe-out。不同的Toe角度会改变车辆的转向反应和直道行驶的稳定性。可以通过改变前万向节拉杆的长度来改变Toe角度。
（3）舵机连杆
车模的原装连杆不够长，我们将其换成加长连杆。而且将车模原来的舵机调整到前端，采用立式安装，使前轮转向更加流畅，平衡性更好。
（4）舵机臂
长度不同的舵机臂效果不同，舵机臂的长度是可调的，经过多次试验，我们发现2.6cm的舵机臂效果最好，我们选用2.6cm舵机臂，舵机更加灵活。
图3.2 舵机的安装
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3.2车模重心的调整
智能车的重心位置，主要影响赛车在转弯时的稳定性能 。智能车在转弯半径一定时，速率越高,离心作用越明显。为了增强赛车弯道的稳定性，应尽量的使车体的重心降低，同时由于转弯时为前轮转弯，后轮跟从，所以应使车的重心相对的偏向后轮方向。为保证直线赛道上能平稳行驶，赛车重心应在车体的重心应在左右的对称面上。因此，基于重心和重量的优化，我们在调试的过程中，对车模进行了适当的改装，将主控板尽量降低，反复实验测试重心的最佳位置。
3.3光电编码器
我们采用增量式光电编码器实现对驱动电机转速的检测，通过齿轮传动的方式将测速电机上小齿轮与差速齿轮啮合，可以实时地获得准确的运行速度。我们最终选用100线的欧姆龙光电编码器，该编码器的体积较大，适合B型车模，价格也相对便宜。当采样时间在 2.5MS的时候，可以返回 100 多个脉冲，这样使PID控制精度足够。
图3.3 光电编码器的安装
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