智能車環境感知系統設計與實現

楊坤，程鵬

（1.沈陽工學院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

感知技術利用一種檢測裝置即傳感器檢測的信息來描述客觀世界的特征。除了眾所周知的以測試、自動控制為目的的傳感器技術，它還包括以下部分——傳感器信息處理、環境感知系統架構、環境地圖建模。其中的核心部分是感知系統，它是針對機動車獨立駕駛服務而設計的，車輛有不同的導航方式，其任務也隨著不同形式的導航而有所不同，歸納起來，主要任務通常包括道路追蹤、道路指示標志考察、辨識、避障、軌跡偵察及追蹤等[1]。

超聲波傳感器具備直接信息特征，易于處理和低成本的優點。然而，它的劣勢在于測量能量時的波束角相對來說大一些，方向性不好，除此之外，能夠識別的最小物體之間距離的能力不高，單個超聲傳感器達不到預期的穩定狀態，只能提供較大場景的對象之間的距離，而不能提供目標圖像邊緣和形狀細節。與此類似的是紅外傳感器，紅外光由單個光源發射，并且使用多個光電探測器來接收反射的光能，通過對照，研究并辨析每一個探測器接收到的光能相異的地方，進而獲取物與物的間距信息。與超聲傳感器不同的是，它能夠24小時運作，加之其可檢測的視野角度窄且具有方向性強的優點，因此大大提高了測量準確度，但另一方面，卻會受到像物體的表層性質這樣不可控的外界因素的作用。因此，需要將超聲傳感器與紅外傳感器進行結合，以提高智能車的感知性能[2]。

1 超聲測距原理

超聲波傳感器發出的頻率都是特定不變的。在介質中傳播一段距離后，一旦碰到障礙物立刻返回，整個過程所用時間即為從發射開始至接收到反射波終止。即使環境中存在其他的干擾頻率，超聲波傳感器也能從中識別出回波并捕獲。設t0為超聲發射時間，tr為返回時間，可以求出超聲傳感器與障礙物之間的距離d，用下式表示：

其中，V表示聲速。

無論是在反射亦或是在傳導的過程中，聲波都會存在一定程度的損耗，檢測的距離越大，幅度改變的程度反而越小，相應的，通過反射而返回來的超聲波所包含的能量也逐漸降低。當障礙物的檢測距離增大到一定的值，此時，折回的是不可能被探測到的及其微弱的信號，因此，這一最大距離就可以作為該超聲測距所能探測到的閾值上限。有一些超聲傳感器的探測頭，閾值上限取決于它的發射功率。其振幅的大小隨著超聲輻射能量的增大而逐步增高，因而，它能檢測的距離也更遠[3]。

2 紅外傳感器工作過程

可以通過一個紅外二極管和一個紅外光電管這兩個組件來實現紅外傳感器的測距工作過程，其中，用于調制的信號由前者產生。紅外線碰到阻擋后返回來，在發射端由紅外光電管接收，同時將紅外信號轉換成電信號，往返之間的距離信息就蘊含在它的能量中。從透光特性可以看出，光強度與距離成反比關系，距離越大，光強度反而越小。由于是一種非線性的關系，致使測距得到不準確的結果，它僅僅表示要測量的距離范圍[4]。

由上述工作過程可以清楚地了解到，當光電管得到返回來的光信號后，在前置電路輸出電壓信號V，將V擴大K倍，在比較模塊與參考電壓進行比較，當輸入的電壓Vin小于參考電壓時，比較器輸出V0為低電平，否則，輸出為高電平。紅外線返回距離與振幅大小是非線性的反比關系，幅值越大，間距越小，假設折返回來的距離分別用D，Di對應電壓信號V，Vi（放大電路前），則：

通過輸出電壓V0就可以表示想要探測的距離是否位于Di內。假設i=1,2,…,n，Di表示測量距離，D1＞D2＞…＞Dn。

3 環境感知系統設計與實現

3.1 總體設計

智能車中的環境感知模塊由一個超聲波傳感器、一個轉向機構以及六個紅外線傳感器組合而成。其硬件部分如圖1所示結構。整體設計的實現是根據圖中箭頭方向，依次按順序啟動各個傳感器，探測每個方向的障礙物。環境信息一旦發生變動，該系統就會以經由串口與主控系統進行通訊的途徑來傳輸改動后新產生的障礙距離信息[5]。

圖1 環境感知系統硬件結構

3.2 電路設計

為了放大控制信號，采用電機驅動模塊L298N內高度集成的H橋式驅動電路來實現智能車感知系統的設計，通過單片機自帶的脈沖寬度調制（PWM）發生器來產生脈沖寬度調制（PWM）信號，輸入L298N電路，以此來操縱小車的速度、方向以及起始停止。主控電路就是用來實現上述給出PWM波的功能，同時兼具對采集的信號分析處理以及再次探測到阻礙物發出警報等作用。驅動電路和主控電路見圖2和圖3所示。

圖2 驅動電路

圖3 主控電路

3.3 測試結果

測試智能車環境感知系統過程中設置了多個障礙物，重點對多點路徑規劃、自主避障行駛等功能在室內、室外分別進行了多次實地測試，測試結果表明所設計的智能車感知系統能夠準確識別障礙物，并實時做出路徑規劃，快速避障[6]。圖4為智能車實測圖。

圖4 智能車實測圖

4 結語

在分析紅外傳感器和超聲波傳感器工作原理的基礎上，構建了智能車環境感知系統硬件結構，設計了驅動電路和主控電路，進一步采用STC89C52RC系列單片機設計實現了智能車環境感知系統。測試結果表明所設計的智能車環境感知系統能夠快速感知障礙物，重新進行路徑規劃、快速避障。