基于激光雷達(dá)的車輛避障控制研究

李媛　劉營(yíng)

摘 要：針對(duì)無(wú)人駕駛車輛的環(huán)境感知與避障問題，以高性能的STM32微控制器作為控制核心，采用激光雷達(dá)傳感器作為環(huán)境感知工具，設(shè)計(jì)了車輛避障系統(tǒng)，完成了由微控制器、激光雷達(dá)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要組成的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選型與系統(tǒng)集成，以及由雷達(dá)數(shù)據(jù)處理程序、車輛運(yùn)動(dòng)避障程序等構(gòu)成的軟件系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)綜合測(cè)試效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的正常的行進(jìn)控制，以及對(duì)障礙物的有效規(guī)避。

關(guān)鍵詞：無(wú)人車輛；激光雷達(dá)；智能避障；智能控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.122

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活方式也正在發(fā)生著日新月異的變化。近年來(lái)，智能化和無(wú)人化技術(shù)飛速發(fā)展，無(wú)人駕駛車輛、無(wú)人駕駛工程機(jī)械成為研究熱點(diǎn)[1，2]。通過(guò)車輛、機(jī)械設(shè)備無(wú)人化運(yùn)行，降低人員在危險(xiǎn)環(huán)境下的暴露時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全性。

避障控制是所有無(wú)人化設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必須面對(duì)的共性問題[3]。不管是在道路行駛的無(wú)人駕駛車輛，還是在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的工程機(jī)械，以及無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等，首先需要解決的是如何有效地感知外界環(huán)境，避免設(shè)備與外界障礙的碰撞。避障系統(tǒng)的研制是一個(gè)綜合了多系統(tǒng)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，它集中運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)以及當(dāng)今許多的前沿科學(xué)技術(shù)。

本文以小型四輪車輛為對(duì)象，采用激光雷達(dá)傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛的避障控制。完成了系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)調(diào)試，以及系統(tǒng)的綜合測(cè)試。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能車避障系統(tǒng)通過(guò)在車體加載多種傳感器，用來(lái)感知車輛周圍的環(huán)境信息和車體本身內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，從而獲取道路環(huán)境，車輛位置以及障礙物的信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)傳感器感知到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，進(jìn)而控制車輛的前進(jìn)方向和速度，實(shí)現(xiàn)了車輛在道路上的安全可靠行駛。智能車避障系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)車輛在特定環(huán)境的自主運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以對(duì)障礙物做出規(guī)避行為。避障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 核心控制單元

STM32F407微控制器是意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M4內(nèi)核開發(fā)的高性能微控制器，采用了先進(jìn)的90納米制造工藝，同時(shí)采用了自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器技術(shù)，彌補(bǔ)高速CPU與相對(duì)低速FLASH指令讀取之間的矛盾，極大程度地提升了程序的執(zhí)行效率，將Cortex-M4的性能發(fā)揮到了極致水平。STM32F407微控制器的工作頻率達(dá)到了擁有168MHZ，擁有高達(dá)1M的FLASH和192Kb的SRAM，并且具有豐富的通用I/O口、AD轉(zhuǎn)換等外圍資源[4]。

2.2 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)制造技術(shù)的相對(duì)復(fù)雜，市場(chǎng)上目前的工業(yè)級(jí)激光雷達(dá)價(jià)格昂貴，為此，在技術(shù)原理驗(yàn)證階段，選擇了低成本的B0602消費(fèi)級(jí)激光雷達(dá)。該款激光雷達(dá)采用了三角測(cè)距原理，擁有每秒2000次的高速激光雷達(dá)測(cè)距能力，采用了調(diào)制脈沖的驅(qū)動(dòng)方式，并使用功率極低的紅外線激光源作為雷達(dá)的激光發(fā)射器，僅在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行發(fā)射動(dòng)作，能夠?qū)ΧS平面6米半徑范圍內(nèi)的物體進(jìn)行360度范圍的測(cè)距檢測(cè)，能夠滿足避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（1）測(cè)量原理。原理：激光雷達(dá)紅外發(fā)射器按照一定的角度將一束紅外光束從發(fā)射光源發(fā)射出去，當(dāng)紅外光束遇到障礙物的時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，反射回來(lái)的紅外光線被激光雷達(dá)內(nèi)部的CCD檢測(cè)器檢測(cè)到，獲得一個(gè)偏移距離，進(jìn)而求出發(fā)射光線與CCD檢測(cè)器的夾角，最終通過(guò)三角函數(shù)運(yùn)算可以得到激光雷達(dá)到障礙物的距離。

（2）通信協(xié)議。B0602激光雷達(dá)通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，STM32微控制器從激光雷達(dá)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)幀中提取有效數(shù)據(jù)。如表1所示，通訊數(shù)據(jù)幀采用16進(jìn)制格式，由幀頭、幀長(zhǎng)度、幀類型、命令字、參數(shù)長(zhǎng)度、參數(shù)、校驗(yàn)碼組成，包括雷達(dá)轉(zhuǎn)速、分辨率、旋轉(zhuǎn)角度、探測(cè)距離、設(shè)備健康狀態(tài)等信息。單片機(jī)需要將激光雷達(dá)上傳的數(shù)據(jù)依據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得到激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)測(cè)量信息和設(shè)備的健康狀態(tài)信息。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)使用小型四輪車輛模型作為激光雷達(dá)的載體，采用四個(gè)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向動(dòng)作。單片機(jī)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)以及車輛的行進(jìn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

避障系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化程序、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)幀處理程序、車輛避障控制程序等組成。系統(tǒng)初始化程序主要通過(guò)配置寄存器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘配置、GPIO通用端口配置、USART通訊串口配置、NVIC中斷函數(shù)配置。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)幀處理程序是單片機(jī)利用串口通信，接收來(lái)自于激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)幀，并按照幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得到當(dāng)前車輛在四周的每個(gè)角度及其相應(yīng)的與障礙物的距離值，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知。

車輛避障控制程序是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)車輛運(yùn)動(dòng)控制律，一方面實(shí)現(xiàn)車輛的有效運(yùn)動(dòng)，另一方面能規(guī)避已知的障礙物。避障系統(tǒng)的控制邏輯是當(dāng)激光雷達(dá)前方未檢測(cè)到障礙物時(shí)車輛徑直前進(jìn)；如果前方檢測(cè)到障礙物則再次判斷車輛左側(cè)有無(wú)障礙物，如果沒有檢測(cè)到則左轉(zhuǎn)，若左側(cè)檢測(cè)到障礙物則再次檢測(cè)右側(cè)是否有障礙物，如果右側(cè)沒有檢測(cè)到障礙物則右轉(zhuǎn)，如果檢測(cè)到障礙物則進(jìn)行后退。

4 結(jié)論

智能車輛避障在國(guó)防軍事和民用方面都擁有極其深厚的應(yīng)用前景。本文針對(duì)無(wú)人化車輛行進(jìn)過(guò)程中的避障問題，設(shè)計(jì)了智能避障系統(tǒng)，采用高性能微控制器STM32作為核心控制器，激光雷達(dá)作為障礙物檢測(cè)傳感器，完成了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型與系統(tǒng)集成，以及包括雷達(dá)數(shù)據(jù)處理程序、車輛避障控制程序在內(nèi)的軟件系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)車輛

前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)彎行駛，能夠自動(dòng)根據(jù)激光雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)自主駕駛，檢測(cè)到障礙物后能夠自動(dòng)避障等功能，實(shí)現(xiàn)小車智能避障。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國(guó)胤，陳喬松，王進(jìn).智能車技術(shù)探討[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，

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[2]山推.山推全液壓推土機(jī)成功應(yīng)用無(wú)人駕駛技術(shù)[J].工程機(jī)械，

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[3]段建民，石慧.無(wú)人駕駛智能車導(dǎo)航系統(tǒng)控制研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（02）：198-203.

[4]姚文詳，宋巖.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009（07）.

本論文來(lái)源于山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱《基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工程機(jī)械智能裝配數(shù)據(jù)采集與處理關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》，項(xiàng)目編號(hào)：2017CXGC0603

作者簡(jiǎn)介：李媛（1985-），女，山東濟(jì)寧人，本科，工程師，研究方向：工程機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。