基于激光測距的盲區(qū)檢測雷達(dá)設(shè)計

作者：劉會,顏燦晨,楊偉(貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴陽 550025) 時間：2023-07-05 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：在大數(shù)據(jù)與工業(yè)化高速發(fā)展的時代，大型貨車的市場擁有量也與日俱增；而因為大貨車車身較高較長的原因，擁有較大盲區(qū)，這間接造成了多起重大交通事故的發(fā)生；基于此原因，本文提出了一種低成本的盲區(qū)檢測雷達(dá)的設(shè)計，本方案通過激光測距傳感器矩陣，安裝在貨車不同盲區(qū)位置，達(dá)到盲區(qū)檢測預(yù)警的目的，相較于傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的設(shè)計，降低了大量的成本，同時搭配軟件算法可實現(xiàn)50hz的采樣率，±3%的檢測精度。

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(nèi)外輪半徑差較大，以及，盲區(qū)無法避免等原因，在十字路口路口等紅綠燈時經(jīng)常發(fā)送交通事故。為此，多地交警在十字路口規(guī)劃時都噴涂上月牙形的轉(zhuǎn)彎危險區(qū)，而上海交管局哪怕規(guī)定右轉(zhuǎn)速度不能超過5 km/h 但仍然有“包餃子”事件發(fā)生^[1]。由于很多人對于貨車盲區(qū)認(rèn)知不是非常清晰，這使得貨車司機成為防止事故發(fā)生的核心因素。盲區(qū)雷達(dá)基本上成為了司機的第2 雙眼睛，常見的有攝像頭、毫米波、紅外檢測雷達(dá)，但當(dāng)前市場上大多盲區(qū)雷達(dá)存在著：精度差、價格高、檢測面局限等問題。導(dǎo)致貨車安裝量非常低，因此本文基于激光測距原理設(shè)計了一種及低成本的盲區(qū)檢測雷達(dá)。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202307/448330.htm

1 激光測距應(yīng)用介紹

激光測距傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行距離測量的傳感器，根據(jù)其工作原理和應(yīng)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(fā)射激光脈沖，當(dāng)激光脈沖照射到目標(biāo)物體上時，返回的反射光經(jīng)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(nèi)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(jīng)過參考光路，另一束經(jīng)過目標(biāo)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(biāo)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(tài)的變化來計算目標(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(biāo)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(biāo)激光測距傳感器等，而我們的車輛盲區(qū)檢測基本上就是進(jìn)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(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)的主要功能是為了檢測大貨車盲區(qū)內(nèi)是否有其他物品，在停車和低速時進(jìn)行安全預(yù)警，提醒司機盲區(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)計了一套盲區(qū)檢測系統(tǒng)。該傳感器測量傳感器與周圍物體之間的距離，從而讓系統(tǒng)能檢測到貨車盲區(qū)內(nèi)的潛在危險。該系統(tǒng)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(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，整個芯片會進(jìn)入低功耗模式，只有RTC 計時器和一些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，能夠延長電池壽命，從而實現(xiàn)長期低功耗運行。

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 可以通過軟件控制，實現(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器或其他外設(shè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲或傳輸?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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。PWM 接口可以產(chǎn)生PWM 信號，用于控制舵機、電機等。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 是一種激光測距傳感器，采用時間差法進(jìn)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(fā)射激光脈沖，測量反射激光脈沖的時間差，從而計算出目標(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，在許多應(yīng)用中都有廣泛的應(yīng)用，例如自動駕駛、智能家居、機器人導(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)，通過接收器所接收到的光子時間來計算距離，最遠(yuǎn)測量距離可達(dá)4 m，適合中短距離測量的應(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，同時配備高亮LED 及蜂鳴器做聲光提升，根據(jù)不同距離及危險程度進(jìn)行警告和提示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)在硬件設(shè)計上較為簡單，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，無法進(jìn)行長距離通信，因此系統(tǒng)設(shè)計上利用ESP32 的WiFi 組網(wǎng)功能，實現(xiàn)無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸^[9-12]，各節(jié)點單獨使用1 個處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、掉線檢測等功能。

系統(tǒng)硬件設(shè)計除了駕駛室主機增加聲光系統(tǒng)外，其他節(jié)點設(shè)計完全一致。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，PCB電路板3D圖如圖2所示。

圖2

3 嵌軟設(shè)計及外設(shè)通信

對嵌入式軟件設(shè)計整體思路是通過ESP32 的WIFI組網(wǎng)功能，將節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總發(fā)送到主機，根據(jù)閾值空間不同進(jìn)行相應(yīng)報警，同時與常規(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)點通過相應(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，其中激光測距流程如圖3 所示。

圖3

數(shù)據(jù)匯總時使用UDP 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，相應(yīng)上報數(shù)據(jù)協(xié)議如圖4 所示。在整個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程中，我們還考慮了系統(tǒng)的低功耗和實時性問題，通過合理的系統(tǒng)設(shè)計和代碼實現(xiàn)，達(dá)到了系統(tǒng)低功耗和高實時性的目標(biāo)。