第十四屆智能車競(jìng)賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國國內(nèi)智能車競(jìng)賽中參加決賽的隊(duì)伍備受困擾，同樣，它也使得今年國內(nèi)參加比賽的隊(duì)員感到苦惱。

2018年韓國全國大學(xué)生智能車競(jìng)賽中的橫斷路障

成功越過橫斷路障的關(guān)鍵就是需要能夠盡可能提前檢測(cè)到它的存在，然后在路障前后的一米區(qū)內(nèi)精確繞過路障。

在繞過路障的過程中，車模不再具有賽道的導(dǎo)引。如果僅僅依靠車模開環(huán)控制完成繞行，則車模的軌跡就會(huì)受到賽道環(huán)境的影響，要么彎繞大了卡在旁邊的賽道路肩上，要么彎繞小了，剮蹭在路障上。

視覺檢測(cè)路障并開環(huán)繞行

為了避免繞行中厄運(yùn)的發(fā)生，則需要對(duì)車模繞行路障引入反饋控制。

一種方案就是在車模上增加轉(zhuǎn)向陀螺儀和車模行進(jìn)距離傳感器，這樣可以精確控制車模運(yùn)行軌跡，從而能夠適應(yīng)更加復(fù)雜多變的 環(huán)境。

另一種方案就是增加路障距離傳感器，控制車模與路障之間的距離使得繞行轉(zhuǎn)彎不太大也不太小。

近期很多同學(xué)在尋找各種測(cè)距傳感器。傳統(tǒng)的超聲傳感器對(duì)于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會(huì)測(cè)不到，測(cè)量距離誤差較大?，F(xiàn)在更多同學(xué)把目光轉(zhuǎn)移到一大類基于激光的測(cè)距傳感器。

常見到的激光測(cè)距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測(cè)距，結(jié)構(gòu)光方法等。

TOF測(cè)距原理和超聲波測(cè)距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強(qiáng)，所以探測(cè)空間分辨率較高。由于它是通過測(cè)量光波從發(fā)送到接受之間的時(shí)間差來計(jì)算物體距離，所以物體表面的反射率對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響不大。

TOF激光距離傳感器

由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，TOF激光測(cè)距傳感器的價(jià)格也比較便宜。近期很多同學(xué)在詢問這類傳感器是否可以允許用于競(jìng)賽中。

對(duì)于這類封裝比較?。闪藗鞲衅?，處理電路和接口芯片）的模塊可以被當(dāng)做整體傳感器應(yīng)用于競(jìng)賽中。但需要排除 一些體積比較大并具有MCU，功能比較綜合的TOF傳感器。

TOP10120傳感器以及其中的接口芯片

TOP10120是一款TOF激光測(cè)距傳感器。它的測(cè)距結(jié)果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測(cè)量范圍在100~1800mm，輸出結(jié)果速度最快每秒33個(gè)數(shù)據(jù)。

通過UART輸出的測(cè)量結(jié)果以及串口波形

該模塊體積比較小，價(jià)格相對(duì)比較便宜，在一個(gè)車模上可以安裝多個(gè)這樣的傳感器。所以很多同學(xué)不僅希望使用它檢測(cè)賽道中的路障，而且還希望用于信標(biāo)組中，檢測(cè)信標(biāo)障礙。

那么這個(gè)傳感器在使用中，究竟效果如何。對(duì)于大的路障，小的信標(biāo)檢測(cè)距離有多遠(yuǎn)。是否會(huì)受到環(huán)境光線影響，多個(gè)TOF模塊之間是否會(huì)存在干擾呢？

TOF測(cè)試接口

為了回答上面的問題，下面就通過實(shí)驗(yàn)來一一驗(yàn)證它。

為了更好的衡量TOF10120測(cè)量的空間分辨率和測(cè)量范圍，下面將傳感器固定在 一個(gè)小型的舵機(jī)上，然后讓舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測(cè)精度。

使用小型舵機(jī)旋轉(zhuǎn)TOF傳感器

下面是一個(gè)長度為1米左右的水平導(dǎo)軌，可以承載檢測(cè)物體在縱向進(jìn)行移動(dòng)，這樣可以測(cè)試TOF傳感器的距離精度和檢測(cè)范圍。

縱向滑軌

使用一個(gè)紅色表面的木箱作為檢測(cè)對(duì)象。放在滑軌上沿著遠(yuǎn)離傳感器的方向移動(dòng)。

在木箱在遠(yuǎn)離方向上的每一個(gè)地點(diǎn)，舵機(jī)帶動(dòng)TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當(dāng)前距離下，從不同方位所檢測(cè)到前面物體的距離。

具體結(jié)果如下圖所示。距離掃描曲線顯示TOF傳感器在空間分辨率上是很高的。

紅色物體在遠(yuǎn)離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線

從上面動(dòng)圖可以看到，隨著木箱 遠(yuǎn)離傳感器，傳感器前面所測(cè)到近距離的范圍原來越小，同時(shí)距離數(shù)值也隨著木箱的遠(yuǎn)離逐步增加。

當(dāng)木箱移動(dòng)到接近1米的時(shí)候，檢測(cè)距離曲線出現(xiàn)了很多噪聲，數(shù)據(jù)變得不可靠了。

所選的木箱底部是黑色，當(dāng)黑色底部對(duì)準(zhǔn)TOF傳感器時(shí)，可以看到當(dāng)距離城廓0.5米之后，測(cè)量數(shù)據(jù)就開始具有很多的噪聲了。測(cè)距距離明顯減少。

黑色表面，檢測(cè)距離縮小到0.5米

下面三個(gè)距離掃描結(jié)果曲線分別是針對(duì)白色反射面，紅色反射面以及黑色反射面。反射物體距離TOF傳感器大約700mm。

通過對(duì)比可以看到，白色和紅色反射面所測(cè)量的結(jié)果噪聲基本相同，而黑色反射面結(jié)果中的噪聲則非常大。

白色反射面測(cè)量距離掃描結(jié)果

紅色反射面測(cè)量距離掃描結(jié)果

黑色表面距離掃描結(jié)果

因此比賽中所規(guī)定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測(cè)。

考慮到實(shí)際路障的尺寸是45厘米，比實(shí)驗(yàn)中的木箱更大，因此，可以推測(cè)使用TOF10120傳感器檢測(cè)到路障的正面距離應(yīng)該能夠大于1米。

TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測(cè)到信標(biāo)呢?

下面使用同樣的測(cè)試方法繪制了信標(biāo)燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。

信標(biāo)燈罩在不同距離下檢測(cè)距離結(jié)果曲線

從上面結(jié)果來看，當(dāng)距離超過0.7米之后，信標(biāo)就基本上無法檢測(cè)到。如果再考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，所以使用TOF檢測(cè)信標(biāo)的距離只能在半米左右。

如果信標(biāo)車?？刂频暮玫脑?，比如同時(shí)使用它的四輪，完成橫向運(yùn)動(dòng)，半米的距離是可以靈活的躲開信標(biāo)燈。

只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測(cè)距傳感器。

由于得到最后一組數(shù)據(jù)的時(shí)候，已經(jīng)到了晚上，外面沒有了陽光。否則需要測(cè)試一下，在陽光下的環(huán)境中，TOF檢測(cè)距離是多遠(yuǎn)？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測(cè)。

兩個(gè)TOF之間的相互干擾

上圖動(dòng)圖顯示了兩個(gè)TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個(gè)TOF傳感器旋轉(zhuǎn)，如果碰巧照射在另外一個(gè)傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。如果TOF不是正向照射在另外一個(gè)傳感器上，它們測(cè)量結(jié)果還是正確的。

因此，在一個(gè)車模上是可以在四周同時(shí)按照多個(gè)TOF傳感器。只要注意他們之間不會(huì)相互直射即可。

在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個(gè)車模同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發(fā)生干擾的。不過這種干擾的幾率會(huì)很小。