基于激光測距的盲區檢測雷達設計

劉會　顏燦晨　楊偉

關鍵詞：激光測距；盲區檢測；嵌入式；傳感器網絡節點

混合交通一直以來都是我國國省道的主要通行及貨運通道，而重型大型貨車因內外輪半徑差較大，以及，盲區無法避免等原因，在十字路口路口等紅綠燈時經常發送交通事故。為此，多地交警在十字路口規劃時都噴涂上月牙形的轉彎危險區，而上海交管局哪怕規定右轉速度不能超過5 km/h 但仍然有“包餃子”事件發生[1]。由于很多人對于貨車盲區認知不是非常清晰，這使得貨車司機成為防止事故發生的核心因素。盲區雷達基本上成為了司機的第2 雙眼睛，常見的有攝像頭、毫米波、紅外檢測雷達，但當前市場上大多盲區雷達存在著：精度差、價格高、檢測面局限等問題。導致貨車安裝量非常低，因此本文基于激光測距原理設計了一種及低成本的盲區檢測雷達。

1 激光測距應用介紹

激光測距傳感器是一種利用激光技術進行距離測量的傳感器，根據其工作原理和應用場景不同，可以分為多種類型，以下是其中常見的幾種：

時間差法激光測距傳感器：該傳感器通過發射激光脈沖，當激光脈沖照射到目標物體上時，返回的反射光經過接收器接收，并測量其時間差來計算距離。時間差法激光測距傳感器適用于測量較短距離范圍內的距離，通常精度較高[2]。

相移法激光測距傳感器：該傳感器采用的是激光干涉測量原理，將激光分為兩束，一束經過參考光路，另一束經過目標物體后返回接收器。將兩束激光疊加，通過相位差來計算目標物體的距離。相移法激光測距傳感器通常適用于需要高精度測量的場景。

波前法激光測距傳感器：該傳感器通過測量激光波前形態的變化來計算目標物體的距離。其采用的是自適應光學技術，能夠自動調整激光波前形態，適應不同距離和目標物體的形態，具有高精度和廣泛的應用范圍。

相位測量法激光測距傳感器：該傳感器通過測量激光信號的相位變化來計算目標物體的距離。相位測量法激光測距傳感器通常精度高，但測量范圍較窄，適用于測量較短距離的場景。

除了以上常見的幾種激光測距傳感器，還有一些其他類型的傳感器，如三角測量法激光測距傳感器、多目標激光測距傳感器等，而我們的車輛盲區檢測基本上就是進行車輛周邊工況檢測，因此我們使用時間差法激光測距傳感器。

2 系統方案設計

本系統的主要功能是為了檢測大貨車盲區內是否有其他物品，在停車和低速時進行安全預警，提醒司機盲區內存在異物，防止安全事故發生；本系統基于VL53L1傳感器設計了一套盲區檢測系統。該傳感器測量傳感器與周圍物體之間的距離，從而讓系統能檢測到貨車盲區內的潛在危險。該系統包括可視化顯示和聲音警報，以提示駕駛員注意潛在的危險。

本系統采用低成本處理器ESP32，其擁有80～160 MHz的主頻速率使得處理器可以輕松處理外圍傳感器數據，同時它支持多種低功耗模式，例如Deep Sleep、Modem Sleep等。Deep Sleep模式可以使芯片功耗降低到最低，當芯片處于Deep Sleep狀態時，整個芯片會進入低功耗模式，只有RTC計時器和一些GPIO保持喚醒狀態。在Deep Sleep模式下，ESP32可以達到幾微安的功耗，能夠延長電池壽命，從而實現長期低功耗運行。

除了低功耗，ESP32還具備豐富的外設接口，包括GPIO、SPI、UART、PWM等。GPIO可以通過軟件控制，實現各種功能，例如控制LED燈、讀取傳感器數據等。SPI接口可以連接外部存儲器或其他外設，實現數據存儲或傳輸等功能。UART接口可以連接串口設備，例如電腦或其他微控制器，實現數據通信。PWM接口可以產生PWM信號，用于控制舵機、電機等。此外，ESP32還支持ADC、12C、SDIO等其他接口，可以滿足不同應用的需求。

VL53LIX是一種激光測距傳感器，采用時間差法進行距離測量，是一種時間飛行（TOF）傳感器。它使用紅外激光器發射激光脈沖，測量反射激光脈沖的時間差，從而計算出目標物體與傳感器之間的距離[3]。VL53L1具有高精度、小尺寸、低功耗等特點，在許多應用中都有廣泛的應用，例如自動駕駛、智能家居、機器人導航等。芯片內部集成了激光發射器和SPAD紅外接收器，采用了第二代FightSenseTM技術，通過接收器所接收到的光子時間來計算距離，最遠測量距離可達4m，適合中短距離測量的應用[4-8]。

系統使用4.3英寸LCD液晶屏作為系統顯示模組，同時配備高亮LED及蜂鳴器做聲光提升，根據不同距離及危險程度進行警告和提示。

2硬件系統設計

系統在硬件設計上較為簡單，由于原傳感器采用的IIC協議通訊速率較高，通信距離較近，在應用中大多都應用于板間通信，無法進行長距離通信，因此系統設計上利用ESP32的WiFi組網功能，實現無線節點網絡間的數據傳輸[9-12]，各節點單獨使用1個處理器進行數據處理、掉線檢測等功能。

系統硬件設計除了駕駛室主機增加聲光系統外，其他節點設計完全一致。硬件系統電路圖如圖1所示。

根據電路圖進行PCB設計，PCB電路板3D圖如圖2所示。

3嵌軟設計及外設通信

對嵌入式軟件設計整體思路是通過ESP32的WIFI組網功能，將節點數據進行匯總發送到主機，根據閾值空間不同進行相應報警，同時與常規倒車雷達類似，將距離數據渲染到TFT屏幕；此外各傳感器節點通過相應協議讀取傳感器數據，考慮到傳感器數據的穩定性問題，將傳感器數據進行濾波處理，保證數據的準確性后才將數據發給主機，其中激光測距流程如圖3所示。

數據匯總時使用UDP協議發送數據，相應上報數據協議如圖4所示。在整個嵌入式系統的設計過程中，我們還考慮了系統的低功耗和實時性問題，通過合理的系統設計和代碼實現，達到了系統低功耗和高實時性的目標。

4系統測試及結語

在針對于大型貨車的應用中，主要是對行人、車輛等物品進行檢測，在貨車盲區安裝傳感器節點后進行測試，每組測試100次，進行10次測試，測試結果如圖5。

1）靈敏度測試：測試系統是否能夠正確地檢測到障礙物并發出警報。通過放置障礙物在車輛后方和側方不同位置進行測試；

2）范圍測試：測試系統的檢測范圍是否符合要求。可以通過將障礙物放置在系統檢測范圍的邊緣進行測試；

3）精度測試測試系統的檢測距離和位置是否準確，檢測誤差是否在3%以內；

4）響應時間測試：測試系統的響應時間是否符合要求。在25次采樣濾波周期內（即0.5 s）發出警告提醒。