基于紅外技術的前車距離測量方法

摘 要：本課題運用紅外線技術對前方目標車輛進行檢測，以獲取本車與前方車輛的相對距離，從而對跟進車的行駛狀態進行實時控制，實現無人駕駛的震源車車隊。本文主要通過卡塞格林光學系統對前車尾氣的紅外信號進行采集，利用熱敏電阻探測器將采集到的紅外信號轉換成電壓信號，在對轉換后的電壓信號進行相應的處理，如信號放大、濾波與檢波等處理，將處理后的信號與系統內的參數進行比較得出與前車的相對距離，隨后由單片機通過前車距離值的判斷并對跟進車的速度進行實時控制，以實現利用紅外技術對前車距離的檢測，在勘探技術中實現無人駕駛的震源車車隊。

關鍵詞：紅外測距；汽車防撞；后車跟進；方法分析

中圖分類號：TN216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-02

在石油勘探技術中，為了節省人力，提高生產效率，需要研究一種無人駕駛的震源車車隊。后車的行走路線，需要根據檢測到的前車信息來決定，為了安全跟行，需要進行前車信息檢測，方便車隊正常安全運行。為此，對于前車的距離測量成為了首要任務。通過紅外技術可以實現前車距離的測量，進而測出前車速度等其他信息，計算機系統根據這些信息決定后車的行駛速度，使車隊安全行進。紅外測距傳感器不僅可以利用紅外信號遇到不同距離的障礙物產生不同強度的紅外反射進行障礙物的遠近檢測的原理[1]，也可以根據前車紅外成像顯示距離的原理[2]，還可以根據紅外信號傳播的時間確定前方車距的原理[3]，基于每種原理，都有許多不同的測量方法，在此論述各方法的優缺點，彌補不足，確定測量方法。因此，選取高精度、高效率的測量方法具有一定的研究意義。

一、紅外技術測前車距離的系統設計方案和紅外信號的采集

（一）紅外技術測前車距離的系統設計方案

汽車尾氣的溫度可達600℃～700℃，具有很高能量的紅外輻射，利用此能源，將前車尾氣的紅輻射進行功率放大，由發射探頭發射，再由后車的紅外接收裝置接收，接著對紅外信號進行處理，并由光電探測器進行能量轉換[4]，將紅外線的熱能轉換成電信號，再由信號放大器將信號放大，通過中央處理器進行處理，得出距離，由顯示器顯示，并由控制器控制并調整車速，當距離在20m～30m之間時，震源車勻速跟進；當距離小于20m時，震源車減速跟進直至距離在20m～30m之間；當距離大于30m時，或顯示器無距離顯示時，震源車要加速前進直至距離在20m～30m之間。

（二）光學系統對前車紅外數據的采集

光學系統的作用是匯聚在其視場范圍內目標的紅外輻射能量，然后將其匯聚的能量傳遞給下一個工作單元。光學系統的視場大小由光學零件及其位置確定[5]。由于測溫距離遠，因此本此研究的測距儀采用了卡塞格林光學系統。由于該系統具有能量損失少、組合焦距長、成像質量好和便于實現同光軸瞄準等優點。因而能滿足遠距離的測量要求。

（三）熱敏電阻傳感器對前車紅外數據的轉換

光的總強度跟光的單個光子的能量和光子的總數有關。光在傳播過程中，不斷會有散射和吸收等的損耗，這樣的損耗不是損耗單一光子的能量，而是損耗光子數目，使光的總強度減弱。

根據量子光學可知，每個光子的能量與光的頻率成正比關系，即

熱敏電阻傳感器是在外加的偏壓下工作的，熱敏電阻在工作時通常接成如圖1所示的橋式電路[6]。

圖1 橋式電路

圖1中虛線所圍部分是由二個性能相同的薄片電阻組成的傳感器，其中Ra作為敏感源來接收紅外輻射；將Rc遮蔽起來，Rc是用來補償因環境溫度的變化而引起的電阻變化，因此Rc稱為補償源。通常Ra的阻值與Rc的阻值相等。偏壓中心接地，對傳感器對稱施加。

當元器件受到熱輻射時敏感元件的溫度會升高，其電阻值也隨之改變。根據器件在工作過程的熱平衡方程式，可建立紅外輻射能量與電阻值之間的變化關系。

二、前車紅外數據信息的轉換處理及控制

（一）前車紅外信息轉換為電壓信號后的處理

1.信號的前置放大

該系統的前置放大電路選用了兩個低噪聲的運算放大器MAX4305和一個低噪聲的晶體管BFS483。該電路用一個低噪聲的運算放大器MAX4305設計了一個二階低通濾波器，用另一個低噪聲的運算放大器MAX4305設計了一個一階的高通濾波器，用低噪聲的晶體管BFS483設計了一個電壓跟隨器[7]。光信號經過熱敏電阻之后轉變成電流信號，電流信號流經轉換電路之后變成電壓信號，電壓信號又經過由低通濾波器和高通濾波器構成的帶通濾波器之后，有效地將頻帶寬度之外的噪聲濾掉，該電路保留并放大了有用信號，最后電壓跟隨器放大有用電壓信號，保證了信號的最大輸出幅度。

2.信號的濾波處理

將放大電路的輸出電壓信號直接經過AD采樣后輸入計算機?？梢?，由于周圍存在噪音和干擾，從原始信號的數據中難以辨析出被測物所產生的脈沖信號，因此，必須對放大后的原始信號進行濾波處理[8]。

3.信號的檢波處理

檢波器或檢波電路的作用就是從調幅信號中提取出低頻信號。它的工作過程恰好與調幅過程相反。檢波處理的過程就是一個頻率變換的過程，其過程也要使用非線性的元器件來實現。常用的元器件有二極管和三極管。此外為了取出低頻有用的信號，還必須使用濾波器濾除信號的高頻分量，所以檢波電路通常包括濾波器和非線性元器件兩大部分[9]。

該系統電路選用了電子開關型的檢波器進行檢波處理，該方法與模擬乘法器型的檢波器相比具有電路簡單、運行速度快、高精度、沒有非線性等優點。

輸入信號是光敏電阻傳感器經主放大器所放大的輸出信號V4，V5是STM32的PWM的端口發出的，經過移相除理之后用于斬波調制的脈沖信號。V6與V5為反相電壓，是通過反相器來實現。R1=R2=R3=R4=R6=1/2R5，當電壓V5為高電平輸入時，Q2導通，則OP07的同相端接地。當V5為低電平輸入時，Q2截止，則OP07反相端接地，并輸出電壓。

經上述電路后信號中還混有噪聲，主要通過低通濾波器來消除這些噪聲。

（二）前車紅外測距系統電路的溫度補償處理

由于各元器件會受到環境溫度所影響，因此需要對系統進行溫度補償用以減小測量誤差，本系統所采用的補償元件是AD592集成溫度傳感器，該傳感器具有高精度、輸入的范圍寬、較小的非線性誤差等優點。系統中有可調電阻是用來校準輸出電壓，當環境溫度為0時輸出電壓也為0。還有用來校準溫度系數的電阻，經全部被校準后，輸出電壓是溫度系數與環境溫度的乘積，將其接到STM32的ADC端口的PC0。

（三）將前車車距數據傳入AT89C2051單片機進行實時控制

AT89C2051是由ATMEL公司所推出的一種小型的單片機。其主要特點為該單片機采用了Flash存貯器技術，并降低了制造的成本。其軟件、硬件與MCS-51可以完全兼容，并且很快的就被中國廣大用戶接受了，其程序的可擦寫特性，使得開發與試驗比較容易[10]。

1.引腳

AT89C2051共有20條引腳，其引腳如圖2所示[11]：

在引腳的驅動能力上面，AT89C2051具有很強的下拉能力，P1，P3口的下拉能力均可達到20mA。相比之下，AT89C51/AT87C51端口的每個引腳的下拉能力最大為15mA。但是9個引腳的電流之和限小于81mA。這樣，每個引腳的電流均值為9mA。隨著AT89C2051的驅動能力增強，即可直接驅動LED數碼管了。

在2051的內部設有一個模擬信號的比較器，是用來增加模擬量的輸入，且同P1.0與P1.1口連接，最后在P3.6的對應寄存器上存入比較的結果。

2.電源

AT89C2051有很寬的工作電源電壓，可為2.7～6V，當工作電壓是3V時，電流值相當于在6V工作時的1/4。89C2051在12Hz工作時，此時的動態電流值為5.5mA，空閑態下應為為1mA，掉電狀態下時僅為20nA。所以小功耗適于電池供電的微型控制系統。

3.存儲器

AT89C2051片內的Flash程序存儲器是2k字節的，RAM是128字節的，同80C31的結構很類似。2051的內部是在全靜狀態下工作的，因此工作的時鐘范圍允許在0～20MHz內，也就是說，即使在低速工作的狀態下也不破壞RAM里的內容。相比而言，在最低速工作時，一般的8031的時鐘為3.5MHz，因為RAM處于動態刷新的狀態下。不允許89C2051通過外部總線來擴充程序/數據存儲器，因此沒有ALEPSEN、WR、RD等引腳。

三、結束語

紅外技術的應用越來越廣泛，尤其是紅外線技術對前車信息的檢測是當前研究的熱點。很多車載紅外測距儀已經上市及應用了，但是，還沒有研究出應用在無人駕駛的勘探車隊中的車載紅外測距儀，因此本文主要是針對基于紅外技術測前車距離的研究。本文對相關紅外測距技術進行了深入系統的查詢與研究，將紅外測距技術運用到了前車車距的檢測，來實現對前車車距的測量與識別，從而實現對后車跟進速度的控制，實現在勘探工作中應用無人駕駛的震源車車隊，因此可以減少人力資源。

車輛檢測跟蹤和車距檢測是前車信息的重要部分，運用紅外技術對它進行檢測。本課題主要根據紅外測溫儀的測量方法來構思前車紅外測距的方法研究，測溫儀主要是運用了一個轉換器件對紅外信號進行光電轉換，轉換成可以測量和處理的電信號，同樣，本課題也運用了此原理，選擇了熱敏電阻傳感器作為轉換器件，將紅外信號的熱能量轉換成電信號。本課題研究的利用外線技術測量前車車距，主要是通過探測器對紅外信號的轉換，以及在對轉換后的信號進行處理，處理的過程有信號的放大、濾波和檢波，以及溫度補償處理，隨后跟進車的速度是由單片機來控制的。利用紅外技術測前車距離來實現無人駕駛的震源車車隊絕對是一個有前景而有價值的研究方向。

參考文獻：

[1]高守瑋，楊建國，張建華等.一種紅外線測距技術的探討[J].現代電子技術，2002（08）：49-50.

[2]王雷雷.基于可見光與紅外汽車夜視系統目標檢測[D]浙江理工大學，2011.

[3]趙國忱.測距儀最佳測程確定方法的探討[N].阜新礦業學院學報，1990-8-1（09）.

[4]曾戈虹.HgCdTe紅外探測器性能分析[N].紅外技術，2012（01）.

[5]劉暢，向陽，劉波等.紅外反遠距光學系統的小型化設計[N].應用光學，2011（03）.

[6]鄭惠元.H w一4型紅外測溫儀研制及其應用[D].華東電管局中心試驗所高壓室.

[7]蔣曉華，高毓秋.錳、鈷、鎳氧化物測輻射熱計[J].儀表材料，1983（03）：50-58.

[8]楊小優，唐政維，周平.PIN光電探測器低噪聲前置放大電路設計[N].電子質量，2012（03）.

[9]王馥宇，黃梅珍，曾濤等.針劑中異物的光電檢測方法研究[N].光子學報，2012（03）.

[10]高麗.紅外測溫儀的選用方法[J].山西科技，2010（04）：99-100.

[11]金和鐘.紅外測距原理及其在勘測設計中的應用[N].紅外技術，1989（24）.

[作者簡介]王剛（1987.10-），男，天津人，控制工程碩士在讀，從事計算機管理與控制綜合自動化研究。