第二届“飞思卡尔”杯全国大学生北航神箭一队

仁者

3.1激光扫描器检测基本原理

将激光扫描器应用于路径检测，需要做许多额外工作。

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：

1、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。

2、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，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。

我们应用的扫描器重量不足8g，大小与一块普通橡皮擦相当，经过适当的改造和增加附属电路，成功地应用于智能车路径检测。

如图1所示，激光扫描器光学部分含如下装置：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。

3.2
硬件电路

3.2.1
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：

1、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。

2、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，自行设计其它附属电路，主要设计如下：

1、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。

2、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。

3.2.2 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。

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：

1、电压变化率（du/dt）最大，分别出现在引导线的两侧；

2、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。

3.2.3
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 ：1.25V / (R22 + R10) ≈ 57mA；

最大输出电流：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）。