基于激光扫描原理的路径检测方案

　　引言

飞思卡尔智能车比赛的赛道，由白色泡沫材料及其中心的黑色引导线组成，对赛道信息捕获的效果好坏，直接决定着智能车的速度及控制性能。通常采用的路径检测方式，不外乎CCD与光电两种。CCD方案具有先天的优势，不仅能得到赛道的丰富信息，而且可实现远距离的前瞻，对车模重量及稳定性的影响也很小;而光电方案受传感器数量、车模重量及稳定性所限，获得的赛道信息十分有限，前瞻距离也不足，使得使用光电管方案的队伍成绩普遍不如使用CCD方案的队伍。

　　是否光电方案就真的不可能得到连续的、前瞻性好的信息呢?设想如果只用一对光电发射/接收传感器，利用光学装置让发射光线形成一条高速扫描线，就可以得到一行完整的赛道信息，如果有3个这样的装置，即可获得赛道曲率和角度。另外，如果使用能量高度集中的激光作为光源，则检测距离可大大增加。正是基于这种想法，我们想到了利用条码扫描仪中的激光扫描器。

激光扫描器正是利用快速摆动(或旋转)的镜面，反射能量高度集中的激光束，使激光束的出射角度随着反射镜的运动产生连续的变化，从而投射出一条扫描线。虽然只有一个光电检测器和一个光源，但由于反射镜的高扫描频率，使得扫描器几乎可以同时得到一行的图像信息。当然，我们还需要做许多额外工作，才能将条码扫描器应用于路径检测。

激光扫描器检测基本原理

　　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：

• 　　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。
• 　　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，受规则所限的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。

　　我队所使用激光扫描器原理如下。

　光学部分

　　如图1所示，激光扫描器光学部分包含如下装置：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。由激光管发出的光线经准直透镜聚焦后，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。