基于激光測(cè)距的盲區(qū)檢測(cè)雷達(dá)設(shè)計(jì)

混合交通一直以來(lái)都是我國(guó)國(guó)省道的主要通行及貨運(yùn)通道，而重型大型貨車因內(nèi)外輪半徑差較大，以及，盲區(qū)無(wú)法避免等原因，在十字路口路口等紅綠燈時(shí)經(jīng)常發(fā)送交通事故。為此，多地交警在十字路口規(guī)劃時(shí)都噴涂上月牙形的轉(zhuǎn)彎危險(xiǎn)區(qū)，而上海交管局哪怕規(guī)定右轉(zhuǎn)速度不能超過(guò)5 km/h 但仍然有“包餃子”事件發(fā)生^[1]。由于很多人對(duì)于貨車盲區(qū)認(rèn)知不是非常清晰，這使得貨車司機(jī)成為防止事故發(fā)生的核心因素。盲區(qū)雷達(dá)基本上成為了司機(jī)的第2 雙眼睛，常見的有攝像頭、毫米波、紅外檢測(cè)雷達(dá)，但當(dāng)前市場(chǎng)上大多盲區(qū)雷達(dá)存在著：精度差、價(jià)格高、檢測(cè)面局限等問(wèn)題。導(dǎo)致貨車安裝量非常低，因此本文基于激光測(cè)距原理設(shè)計(jì)了一種及低成本的盲區(qū)檢測(cè)雷達(dá)。

1 激光測(cè)距應(yīng)用介紹

激光測(cè)距傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量的傳感器，根據(jù)其工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景不同，可以分為多種類型，以下是其中常見的幾種：

時(shí)間差法激光測(cè)距傳感器：該傳感器通過(guò)發(fā)射激光脈沖，當(dāng)激光脈沖照射到目標(biāo)物體上時(shí)，返回的反射光經(jīng)過(guò)接收器接收，并測(cè)量其時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。時(shí)間差法激光測(cè)距傳感器適用于測(cè)量較短距離范圍內(nèi)的距離，通常精度較高^[2]。

相移法激光測(cè)距傳感器：該傳感器采用的是激光干涉測(cè)量原理，將激光分為兩束，一束經(jīng)過(guò)參考光路，另一束經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體后返回接收器。將兩束激光疊加，通過(guò)相位差來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離。相移法激光測(cè)距傳感器通常適用于需要高精度測(cè)量的場(chǎng)景。

波前法激光測(cè)距傳感器：該傳感器通過(guò)測(cè)量激光波前形態(tài)的變化來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離。其采用的是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，能夠自動(dòng)調(diào)整激光波前形態(tài)，適應(yīng)不同距離和目標(biāo)物體的形態(tài)，具有高精度和廣泛的應(yīng)用范圍。

相位測(cè)量法激光測(cè)距傳感器：該傳感器通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)的相位變化來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離。相位測(cè)量法激光測(cè)距傳感器通常精度高，但測(cè)量范圍較窄，適用于測(cè)量較短距離的場(chǎng)景。

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

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要功能是為了檢測(cè)大貨車盲區(qū)內(nèi)是否有其他物品，在停車和低速時(shí)進(jìn)行安全預(yù)警，提醒司機(jī)盲區(qū)內(nèi)存在異物，防止安全事故發(fā)生；本系統(tǒng)基于VL53L1傳感器設(shè)計(jì)了一套盲區(qū)檢測(cè)系統(tǒng)。該傳感器測(cè)量傳感器與周圍物體之間的距離，從而讓系統(tǒng)能檢測(cè)到貨車盲區(qū)內(nèi)的潛在危險(xiǎn)。該系統(tǒng)包括可視化顯示和聲音警報(bào)，以提示駕駛員注意潛在的危險(xiǎn)。

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)，同時(shí)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(dāng)芯片處于Deep Sleep 狀態(tài)時(shí)，整個(gè)芯片會(huì)進(jìn)入低功耗模式，只有RTC 計(jì)時(shí)器和一些GPIO 保持喚醒狀態(tài)。在Deep Sleep 模式下，ESP32 可以達(dá)到幾微安的功耗，能夠延長(zhǎng)電池壽命，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期低功耗運(yùn)行。

除了低功耗，ESP32 還具備豐富的外設(shè)接口，包括GPIO、SPI、UART、PWM等。GPIO 可以通過(guò)軟件控制，實(shí)現(xiàn)各種功能，例如控制LED 燈、讀取傳感器數(shù)據(jù)等。SPI 接口可以連接外部存儲(chǔ)器或其他外設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或傳輸?shù)裙δ?。UART 接口可以連接串口設(shè)備，例如電腦或其他微控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。PWM 接口可以產(chǎn)生PWM 信號(hào)，用于控制舵機(jī)、電機(jī)等。此外，ESP32 還支持ADC、I2C、SDIO 等其他接口，可以滿足不同應(yīng)用的需求。

VL53L1X 是一種激光測(cè)距傳感器，采用時(shí)間差法進(jìn)行距離測(cè)量，是一種時(shí)間飛行（TOF）傳感器。它使用紅外激光器發(fā)射激光脈沖，測(cè)量反射激光脈沖的時(shí)間差，從而計(jì)算出目標(biāo)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(diǎn)，在許多應(yīng)用中都有廣泛的應(yīng)用，例如自動(dòng)駕駛、智能家居、機(jī)器人導(dǎo)航等。芯片內(nèi)部集成了激光發(fā)射器和SPAD 紅外接收器，采用了第二代FightSenseTM 技術(shù)，通過(guò)接收器所接收到的光子時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，最遠(yuǎn)測(cè)量距離可達(dá)4 m，適合中短距離測(cè)量的應(yīng)用^[4-8]。

系統(tǒng)使用4.3 英寸LCD 液晶屏作為系統(tǒng)顯示模組，同時(shí)配備高亮LED 及蜂鳴器做聲光提升，根據(jù)不同距離及危險(xiǎn)程度進(jìn)行警告和提示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單，由于原傳感器采用的IIC 協(xié)議通訊速率較高，通信距離較近，在應(yīng)用中大多都應(yīng)用于板間通信，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)上利用ESP32 的WiFi 組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸^[9-12]，各節(jié)點(diǎn)單獨(dú)使用1 個(gè)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、掉線檢測(cè)等功能。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)除了駕駛室主機(jī)增加聲光系統(tǒng)外，其他節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完全一致。硬件系統(tǒng)電路圖如圖1 所示。

圖1

根據(jù)電路圖進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，PCB電路板3D圖如圖2所示。

圖2

3 嵌軟設(shè)計(jì)及外設(shè)通信

對(duì)嵌入式軟件設(shè)計(jì)整體思路是通過(guò)ESP32 的WIFI組網(wǎng)功能，將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總發(fā)送到主機(jī)，根據(jù)閾值空間不同進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警，同時(shí)與常規(guī)倒車?yán)走_(dá)類似，將距離數(shù)據(jù)渲染到TFT 屏幕；此外各傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)相應(yīng)協(xié)議讀取傳感器數(shù)據(jù)，考慮到傳感器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性問(wèn)題，將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后才將數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)，其中激光測(cè)距流程如圖3 所示。

圖3

數(shù)據(jù)匯總時(shí)使用UDP 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，相應(yīng)上報(bào)數(shù)據(jù)協(xié)議如圖4 所示。在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們還考慮了系統(tǒng)的低功耗和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了系統(tǒng)低功耗和高實(shí)時(shí)性的目標(biāo)。

圖4

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)語(yǔ)

在針對(duì)于大型貨車的應(yīng)用中，主要是對(duì)行人、車輛等物品進(jìn)行檢測(cè)，在貨車盲區(qū)安裝傳感器節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行測(cè)試，每組測(cè)試100 次，進(jìn)行10 次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5

1）靈敏度測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)是否能夠正確地檢測(cè)到障礙物并發(fā)出警報(bào)。通過(guò)放置障礙物在車輛后方和側(cè)方不同位置進(jìn)行測(cè)試；

2）范圍測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)范圍是否符合要求?？梢酝ㄟ^(guò)將障礙物放置在系統(tǒng)檢測(cè)范圍的邊緣進(jìn)行測(cè)試；

3）精度測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)距離和位置是否準(zhǔn)確，檢測(cè)誤差是否在3% 以內(nèi)；

4）響應(yīng)時(shí)間測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是否符合要求。在25 次采樣濾波周期內(nèi)（即0.5 s）發(fā)出警告提醒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 交宣.創(chuàng)新管理措施,防范大貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)致禍[J].道路交通管理,2021,No.446(10):14-16

[2] 任晶秋,鐘攀,張琳,等.人體紅外測(cè)溫槍的溫度測(cè)量補(bǔ)償研究[J].電子測(cè)量技術(shù), 2021

[3] 石向榮.基于VL53L0X的激光避障傳感器設(shè)計(jì)[J].福建質(zhì)量管理, 2019(13)

[4] 何立仁,王義.無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)控制的汽車CAN總線燈光系統(tǒng)(英文)[J].測(cè)試科學(xué)與儀器:英文版, 2014, 5(1):5.

[5] 彭為強(qiáng).復(fù)雜環(huán)境下基于雙激光雷達(dá)融合的感知系統(tǒng)研究[D].上海:上海師范大學(xué),2022.

[6] 張一鳴.超聲波測(cè)距盲區(qū)研究的探討[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2020,16(12):256-258.

[7] 程珩,李瑾,靳寶全.基于無(wú)源自振抑制的小盲區(qū)超聲測(cè)距方法[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷,2015,35(2):369-374+404.

[8] 凌超.汽車側(cè)面盲區(qū)防撞預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2013.

[9] 倪陽(yáng)旦,盧東祁,喻謙,等.基于ESP-Mesh網(wǎng)絡(luò)的變電站物聯(lián)信息匯聚[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2021,55(S2):60-63.

[10] 關(guān)世友,吳再群,劉曉輝.一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)江信息通信,2021,34(09):116-118+122.

[11] 令曉靜.敏捷.分布式WiFi技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國(guó)新通信,2021,23(20):66-67.

[12] 唐雨.基于WIFI無(wú)線傳感網(wǎng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變同步測(cè)量方法研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2021.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）