基于激光雷達汽車防撞預警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王心越 董鋒威 謝璐陽 蘇珊珊 王宇歌 趙奉奎

摘要：為了增強汽車在行駛過程中的主動安全性，本文設(shè)計了一種基于激光雷達的汽車防撞預警系統(tǒng)。單片機通過CAN總線采集自車車速，同時采用360°的激光雷達探測汽車周圍環(huán)境。通過密度聚類算法對點云數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)激光點云計算自車與前車的相對速度，進而計算當前車速下的安全距離，再將其與實時車距相比較，決定是否報警。實驗表明該系統(tǒng)能夠準確檢測汽車周圍車輛，并在車距過近時及時進行聲光報警。本系統(tǒng)通過實時探測汽車周圍環(huán)境并提醒駕駛員及時減速或制動，增強了汽車主動安全性，能夠減少交通事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：激光雷達;汽車防撞;主動安全;安全距離;聚類算法

0引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車保有量越來越高，交通事故也隨之增多。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，80%以上的車禍是由于駕駛員反應不及時造成的。如果能夠及時檢測汽車之間的相對距離和相對速度，可極大地減少交通事故的發(fā)生概率。為了提高駕駛安全性，汽車設(shè)置了被動安全系統(tǒng)和主動安全系統(tǒng)。被動防護的作用時間是在發(fā)生事故后，仍然會造成比較嚴重的傷害和經(jīng)濟損失：主動安全系統(tǒng)能及時判斷車輛行駛狀況。自動或提醒駕駛員及時采取措施，減少交通事故的發(fā)生。

目前汽車主動安全主要采用紅外、超聲波雷達、視覺、毫米波雷達和激光雷達等進行障礙物檢測。紅外雷達和超聲波雷達常用于倒車防撞。但在遇到惡劣天氣以及在長距離測距方面，仍然不能滿足汽車在高速運動狀態(tài)下的防撞要求。視覺技術(shù)采用單目或雙目攝像頭進行目標識別和距離檢測。視覺測距方法需要經(jīng)過嚴格的標定和復雜的幾何關(guān)系推導，而且基于目標檢測的機器視覺還面臨過擬合等問題。毫米波雷達常用于自適應巡航、防撞和盲區(qū)檢測，毫米波的分辨率略低，探測角度較小，獲取視野有限，對于近距離小障礙物的測量效果欠佳。

激光雷達和毫米波雷達測距和測速原理相同。但是激光雷達的波長更短，波束更窄，分辨率高，測量距離遠，且抗干擾能力強。吉林大學將SICK公司的2D單線雷達用于防撞預警，并進行了實車測試。激光雷達還常應用在汽車自適應巡航系統(tǒng)中，檢測自車和前車距離和相對速度，以及利用激光雷達測距防止汽車追尾。

本文采用激光雷達作為傳感器，設(shè)計了一種基于360°激光雷達的汽車防撞預警系統(tǒng)。對激光雷達采集到的信息進行前后及側(cè)方的分區(qū)處理，當兩車距離小于安全距離后，該預警系統(tǒng)能夠通過聲光對駕駛員做出預警。

1 系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)預處理

激光雷達防撞預警系統(tǒng)包括激光雷達、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)預處理、車輛識別、防撞模型、安全閾值判斷和聲光預警模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各模塊功能如下：

（1）360°激光雷達采集車輛周圍環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊采用ARM單片機作為控制器，設(shè)計了CAN總線、RS232和RS485通信接口，實現(xiàn)對激光雷達的配置和激光雷達數(shù)據(jù)的讀取。

（3）采集到點云數(shù)據(jù)后，需要進行預處理。首先，將極坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標。由于項目研究過程中設(shè)定汽車以較低速度行駛，采用激光雷達SICK LMS151，其距離測量范圍是0.5-50m。由于障礙物距離雷達50m附近時，信號比較弱，本課題只取45m以內(nèi)的數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)激光雷達的數(shù)據(jù)報文，提取激光雷達的點云數(shù)據(jù)。一幀點云數(shù)據(jù)包含信頭、掃描開始角度、數(shù)據(jù)接受時間、版本號、設(shè)備狀態(tài)、報文計數(shù)、掃描頻率、步進精度和數(shù)據(jù)量等信息，系統(tǒng)根據(jù)字節(jié)順序從點云數(shù)據(jù)中提取距離信息。

（4）將點云數(shù)據(jù)進行聚類分析，識別障礙物和車輛。

（5）通過CAN總線采集自車速度，與預處理的數(shù)據(jù)一并輸人防撞模型，計算安全距離閾值。

（6）系統(tǒng)根據(jù)所計算的安全距離閾值，決定是否報警。若需要報警，則啟動聲光報警模塊，該模塊包括LED報警和語音報警，在存儲卡內(nèi)預存語音信息，根據(jù)測得的距離值選擇不同的語音進行播放。

2 防撞模型

防撞模型作用范圍是以自車為原點，半徑為45m的圓，并按圖2所示進行分區(qū)。將與車輛行駛方向平行且處于自車正前方的區(qū)域設(shè)為前分區(qū)：將與車輛行駛方向平行且處于自車正后方的區(qū)域設(shè)為后分區(qū);對于研究范圍內(nèi)其余方向設(shè)為側(cè)分區(qū)。本文將對不同分區(qū)的車輛建立不同的數(shù)學模型。

2.1 前分區(qū)防撞模型

對于前分區(qū)范圍內(nèi)的汽車，建立前向防撞模型，如圖3所示。為使問題簡化，做如下假設(shè)：

（1）兩車同向勻速行駛，自車速度大于前車速度，且兩車不斷接近。

（2）兩車均可視為質(zhì)點。

其中，t₁為反應延遲時間，即開始警報時，行駛者有效剎車前的延遲時間：t₂為制動時間，即后車開始剎車至速度與前車相同所需的時間：a為剎車加速度（負值），為從開始報警到v₁=v₂，后車的行駛距離;S₂是從報警開始到v₁=v₂，時前車行駛的距離。

假設(shè)某時刻自車車速為v₁，前車車速v₂，△t時間后，兩車距離變化了△s，則兩車相對速度如式（1）所示：

v=v₁-v₂=△s/△t，（1）

可得前車速度v₂：

v₂=v₁-（s₁-s₂）/△t，（2）

后車減速過程中，在延時時間t₁內(nèi)，兩車勻速行駛，在制動時間t₂中，前車仍然勻速行駛，后車勻減速運動，故自車從系統(tǒng)開始報警到車輛停止前進的距離S如式（3）所示，從報警開始到v₁=v₂，時前車行駛的距離如式（4）所示，

上式中，延遲反應時間t₁一般為0.1s，加速度a取決于路面附著系數(shù)，對于同一車型同一路面，也可粗略認為是常數(shù)，則經(jīng)過計算，可得到實時的安全距離S₁。

2.2 其它分區(qū)防撞模型

對于側(cè)分區(qū)和后分區(qū)，本系統(tǒng)分別設(shè)定兩個安全距離X₁和X₂。在側(cè)分區(qū)，當其它車輛進入以自車為圓心，X₁為半徑的探測范圍時，系統(tǒng)進行聲光報警：在后分區(qū)，當其它車輛與自車距離小于安全距離X₂時，系統(tǒng)進行聲光報警。

兩車車距小于安全距離時，聲光報警模塊點亮紅色LED燈，選擇對應的語音通過MP3模塊播放，當實際車距大于安全距離時，解除警報，點亮綠色LED燈。

3 車輛點云信號識別

雷達輸出的信號為離散的點，為了識別車輛，需要對點云信號進行數(shù)據(jù)分析。激光雷達輸出數(shù)據(jù)為極坐標形式，角度和距離存儲在每一幀數(shù)據(jù)的前4個字節(jié)中，提取出算角度和距離后，將其轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標形式，即可進行點云聚類分析。

密度聚類算法根據(jù)樣本密度檢測樣本之間的可連續(xù)性，并根據(jù)可連續(xù)樣本擴展聚類簇，實現(xiàn)點云的聚類分析。DBSCAN（Density-Based SpatialClustering of Application with Noise）是一種典型的密度聚類算法，該算法將密度足夠高的區(qū)域劃分為簇，可以在帶有“噪聲”的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)任意形狀的聚類。DBSCAN聚類簇內(nèi)每個點都應滿足在Eps的鄰域內(nèi)至少有MinPts個點。任意一點‘p的ε鄰域定義為：

N_Eps={q∈D| dist（p，q）

其中，D為點云數(shù)據(jù)集;q為點云數(shù)據(jù)集內(nèi)的任一點;dist（p，q）為兩點之間的距離;EPs為用戶指定的鄰域半徑。如果點p的ε鄰域內(nèi)包涵至少MinPtS個點;則點p被稱為核心點，核心點滿足條件：

N_Eps（P）>MinPts。（8）

DBSCAN通過檢測每個點的ε鄰域內(nèi)點云數(shù)量，搜索點云簇。若任一點p的ε鄰域內(nèi)點云數(shù)量多于MinPts，則創(chuàng)建一個以點p為核心點的新點云簇，之后繼續(xù)搜索由核心點密度直達的點云，在這個過程中會合并密度可達的點云簇。重復上述過程，直到所有的點云都被訪問到。

4 實驗測試

本系統(tǒng)進行了若干次的晝夜不同環(huán)境路況的測試，雷達點云聚類結(jié)果如圖4所示。圖4a和圖4c為實測場景。圖4b和圖4d分別為這兩個場景的點云聚類結(jié)果。由圖可知，系統(tǒng)能夠準確發(fā)現(xiàn)障礙物，能夠滿足汽車正常行駛過程中的主動防撞需求，提高了汽車的主動安全性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于360°激光雷達的汽車防撞預警系統(tǒng)，對汽車周圍環(huán)境分區(qū)建立了防撞模型。利用DBSCAN算法實現(xiàn)了點云聚類。并設(shè)計了基于ARM單片機的聲光報警系統(tǒng)。通過實驗測試驗證本系統(tǒng)不僅能夠及時檢測到前后方車輛信息進行提醒，同時可以檢測到側(cè)面的車輛信息，進一步提升了汽車的主動安全性，是一種全新有效的汽車主動防撞系統(tǒng)。