智能小車環(huán)境感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

劉得權(quán)，李政清，王 榜，秦家屹，智慧超，張雪峰，顏 微

(三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022)

0 引言

環(huán)境感知是智能駕駛安全行駛的前提，也是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，直接決定無人駕駛車輛的決策和規(guī)劃的智能化水平[1]。環(huán)境感知技術(shù)模塊通過處理各類車載傳感器輸出的感知信息來獲取智能汽車自身的狀態(tài)信息、周圍交通參與物的狀態(tài)信息、交通環(huán)境信息等，為智能汽車的路徑規(guī)劃及駕駛行為決策提供必要的數(shù)據(jù)支持[2]。因此，智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

智能汽車的環(huán)境感知功能的實(shí)現(xiàn)基于車輛四周的環(huán)境信息，根據(jù)環(huán)境做出適當(dāng)?shù)臎Q策，用來提供相關(guān)外部環(huán)境的信息，同時(shí)與外部環(huán)境交互。

1.1 紅外傳感器

傳感器的原理是紅外攝影。這種類型的傳感器針對(duì)適應(yīng)車輛和行人的環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，特別在夜間。在日常生活中，汽車的排氣溫度比環(huán)境溫度高得多，發(fā)出的紅外輻射比背景環(huán)境高得多，因此，汽車底部的排氣區(qū)域在圖片中更亮，紅外圖像比背景更明顯。可以通過鎖定車輛底部的亮白區(qū)域來獲取位置信息。同理可得，與環(huán)境相比，夜間人體的溫度很高，因此容易檢索和接收有關(guān)行人位置的信息。

1.2 超聲波傳感器

超聲波傳感器具有簡(jiǎn)單，小型和性價(jià)比高的特點(diǎn)，可檢測(cè)短距離目標(biāo)物。傳感器發(fā)射超聲波在遇到障礙物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射波，繼而回到超聲波雷達(dá)傳感器，主機(jī)控制器通過時(shí)間間隔T和聲速C，能夠計(jì)算得出從測(cè)量到障礙物的距離d[3]。

1.3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是將激光束發(fā)送到目標(biāo)，通過接收和反射之間的時(shí)間間隔確定到目標(biāo)的距離，通過幾何變換激光束角度能夠獲得有關(guān)對(duì)象位置的信息。脈沖測(cè)距法各因素之間的關(guān)系：

(1)

由于脈沖法傾向于使用峰值較大的激光器，所以該方案具有較高的測(cè)量速度和強(qiáng)抗干擾等好處。缺點(diǎn)是檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜并且難以提高分辨率。式(2)為相位法測(cè)距各因素之間的關(guān)系：

(2)

其中：L表示激光雷達(dá)跟障礙物的距離；n表示激光的折射率；C表示真空光速；trec表示發(fā)射時(shí)間；ttrs表示反射回的時(shí)間；f表示正弦波電信號(hào)的頻率。

通過對(duì)比，選擇紅外和超聲波傳感器，優(yōu)點(diǎn)為電路簡(jiǎn)單和硬件性價(jià)比高。更重要的是，在惡劣的環(huán)境中激光區(qū)域會(huì)受到干擾，影響測(cè)量結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

小車分為電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和微控制器模塊等。在整個(gè)小車中，單片機(jī)被用作主要的微控制器，直流電動(dòng)機(jī)被用作驅(qū)動(dòng)力，4個(gè)1.5 V電池提供電力以滿足微控制器和其他電路的電壓需求。驅(qū)動(dòng)模塊使用的是L298N電機(jī)。小車有左右兩個(gè)輪子，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制一個(gè)輪胎，并且可以調(diào)節(jié)前兩個(gè)輪的旋轉(zhuǎn)以提供驅(qū)動(dòng)[4]。增加了一個(gè)萬向輪可以起到支撐作用。當(dāng)主控制器芯片接收到環(huán)境傳感器發(fā)送的環(huán)境信號(hào)時(shí)，它將分析并確定該信號(hào)，然后將適當(dāng)?shù)膭?dòng)作發(fā)送到驅(qū)動(dòng)模塊，然后控制小車的運(yùn)轉(zhuǎn)，繼而實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知功能。

2.1 超聲波測(cè)距模塊

設(shè)計(jì)所使用的HC-SR04超聲波模塊能夠測(cè)量到與障礙物的距離，并對(duì)其進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理[5]，再發(fā)送給STC89S51單片機(jī)，接著再將其顯示在1602 LCD上[4]。圖1為超聲波模塊總體框圖。

圖1 超聲波測(cè)距傳感器的總系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)所使用的超聲波模塊能夠測(cè)量3 m以內(nèi)的距離，所以對(duì)于一些短距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)是非常適用的；模塊主要包括控制電路、超聲波發(fā)射器和超聲波接收器[5]，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的極高測(cè)量精度。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)使用的L298N驅(qū)動(dòng)模塊非常穩(wěn)定，使用高增益的鋁電解電容器來保持電路穩(wěn)定運(yùn)行。它能夠直接控制兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，且提供5 V輸出接口；這為單片機(jī)系統(tǒng)提供了電源，并可以很直接地控制直流電動(dòng)機(jī)；這對(duì)于制造智能小車具有很大意義。

2.3 微控制器

STC89C52微控制器是具有效率高、存儲(chǔ)容量大和抗干擾功能的單片機(jī)。該內(nèi)置存儲(chǔ)器能夠擦除和記錄多次，因此提高了軟件開發(fā)測(cè)試的便利性和可靠性。當(dāng)智能小車在行駛時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從傳感器模塊接收數(shù)據(jù)，在程序完成后檢測(cè)距離，通過定時(shí)器程序來控制發(fā)動(dòng)機(jī)繼而控制汽車的行駛。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2為超聲波測(cè)距的主程序流程圖。啟動(dòng)電源后，首先執(zhí)行初始化步驟來初始化LCD1602模塊、DS18B20模塊和HC-SR04模塊；然后使用DS18B20通過溫度傳感器測(cè)量溫度，使用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊測(cè)量距離。如果到物體的距離的測(cè)量值小于或大于按鍵設(shè)置的范圍，則蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)；最終把測(cè)量距離值顯示在LCD上。

圖2 超聲波測(cè)距流程圖

4 測(cè)試與結(jié)果

4.1 紅外避障測(cè)試

通過在不同光照強(qiáng)度下用紅外傳感器來進(jìn)行檢測(cè)障礙物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不可在太陽(yáng)光直射的地方進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樘?yáng)中含有大量的紅外線，會(huì)干擾紅外檢測(cè)。用藍(lán)牙控制小車前進(jìn)，在沒有障礙物的道路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車會(huì)持續(xù)往前走，直到碰見障礙物，由于遠(yuǎn)處物體反射的信號(hào)會(huì)較微弱，以至于反射回來的紅外線微乎其微，無法達(dá)到傳感器動(dòng)作的水平，所以小車不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向；在智能小車的前右方設(shè)置一個(gè)障礙物時(shí)，小車右輪正轉(zhuǎn)，左輪反轉(zhuǎn)，小車整體向左轉(zhuǎn)彎；在智能小車的前左方設(shè)置一個(gè)障礙物時(shí)，小車左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)，小車整體向右轉(zhuǎn)彎。

表1 紅外避障測(cè)試結(jié)果表

通過多次實(shí)驗(yàn)，小車在遇道前方障礙物時(shí)，通過紅外傳感器模塊，能自動(dòng)進(jìn)行規(guī)避，實(shí)現(xiàn)了紅外避障這一功能。測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，快速且穩(wěn)定，具有硬件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，有動(dòng)態(tài)的環(huán)境感知能力并可以提供預(yù)期的結(jié)果。

4.2 超聲波測(cè)距測(cè)試

1) 溫度補(bǔ)償影響測(cè)試：溫度的變化對(duì)整個(gè)測(cè)試具有顯著影響，特別是在晝夜溫差較大的情況下。當(dāng)溫度降低的時(shí)候，聲音速度提高；當(dāng)溫度上升的時(shí)候，聲音速度降低。下面對(duì)實(shí)際距離為250 cm分別做有無溫度補(bǔ)償測(cè)試，選擇的時(shí)間為一天中的3個(gè)不同時(shí)段。

表2 有溫度補(bǔ)償與無溫度補(bǔ)償對(duì)照數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)可得，通過把無溫度補(bǔ)償作為參考組，測(cè)得的距離與實(shí)際的距離相對(duì)誤差高達(dá)6.4；相反，在有溫度補(bǔ)償?shù)臈l件下，測(cè)得的距離與實(shí)際的距離的相對(duì)誤差非常小，最大為0.92。有溫度補(bǔ)償比無溫度補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)誤差小得多。所以具有溫度補(bǔ)償方案的各種系統(tǒng)可以顯著提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，并代表了對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的連接。

2) 報(bào)警測(cè)試：分別對(duì)實(shí)際距離為100 cm和200 cm做兩組報(bào)警測(cè)試，每組分別用按鍵設(shè)置報(bào)警值為50 cm、75 cm、100 cm，檢驗(yàn)當(dāng)測(cè)量距離大于報(bào)警距離時(shí)，報(bào)警器是否會(huì)報(bào)警。

表3 測(cè)量距離與報(bào)警距離測(cè)試

實(shí)驗(yàn)可得，實(shí)際距離與測(cè)量距離的誤差不大。當(dāng)測(cè)量距離大于報(bào)警距離時(shí)，報(bào)警裝置都會(huì)發(fā)出聲音；而當(dāng)測(cè)量距離小于報(bào)警距離時(shí)，報(bào)警器不會(huì)發(fā)出聲音，說明報(bào)警裝置對(duì)測(cè)出來的距離反應(yīng)非常靈敏，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能。

5 結(jié)論

系統(tǒng)基于紅外傳感器，以檢測(cè)、決策、控制前方物體或狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)試，在不同的環(huán)境中都能良好運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)紅外避障功能。同時(shí)利用超聲波和溫度傳感器融合的前方測(cè)距和溫度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距，并在對(duì)超聲波測(cè)距時(shí)做了溫度補(bǔ)償，實(shí)時(shí)測(cè)溫。智能車輛對(duì)環(huán)境的感知正從單一傳感器感知周圍車輛和障礙物位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸到多傳感器融合感知，使車輛擁有更加智能、適應(yīng)性強(qiáng)、全方面的環(huán)境感知系統(tǒng)。