基于激光測(cè)距雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黃連麗，周奎，朱賢成

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）

隨著汽車在日常生活中的普及，汽車的安全性也得到了人們的重視，特別是交通事故對(duì)人們?cè)斐傻挠绊?，使得汽車安全技術(shù)發(fā)展極為迅速。大量數(shù)據(jù)顯示，汽車交通事故中大多數(shù)是由于司機(jī)的反應(yīng)不及所引起的，其中又以追尾事故的車輛相撞為主。歐洲的一項(xiàng)研究表明：駕駛員只要在碰撞危險(xiǎn)的0.5 s 之前得到“預(yù)警”，就可以避免至少60%的追尾撞車事故，30%的迎面撞車事故，50%的路面相關(guān)事故；若有1 s的“預(yù)警”時(shí)間，則可避免90%的事故發(fā)生[1]。奔馳公司也對(duì)各類交通事故的研究表明，若駕駛員能夠提早1～2 s 意識(shí)到有事故危險(xiǎn)并采取相應(yīng)的正確措施，則絕大多數(shù)交通事故都是可以避免的[2]。

因此，研究汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)來(lái)降低交通事故的發(fā)生率，意義重大。而如何測(cè)量與采集車與目標(biāo)之間的距離是汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)的幾種主流測(cè)距方法的性能比較，綜合經(jīng)濟(jì)條件、實(shí)驗(yàn)室條件、所測(cè)距離以及各種測(cè)距方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇激光雷達(dá)測(cè)距方法。

1 激光測(cè)距雷達(dá)

激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)設(shè)備。激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器等；接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件等[3]。

激光雷達(dá)用激光器作為發(fā)射光源，是采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。激光測(cè)量系統(tǒng)基本原理為由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一激光信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過(guò)測(cè)量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來(lái)確定，也可以測(cè)量2個(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度[4]。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測(cè)試

2.1 系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

采用德國(guó)SICK 公司的LMS221型激光雷達(dá)，其數(shù)據(jù)格式和傳統(tǒng)的串口一樣，每字節(jié)10位，包含1位開(kāi)始位、8位數(shù)據(jù)位和1位結(jié)束位。激光雷達(dá)的報(bào)文結(jié)構(gòu)如表1所示。STX 即報(bào)文頭，占用8位的1個(gè)字節(jié)，以02H 開(kāi)頭；Adress為目標(biāo)地址，占用8位的1個(gè)字節(jié)，地址為用戶地址，這些地址可以在各個(gè)測(cè)量設(shè)備的端口應(yīng)用；Length 即不包含校驗(yàn)和的序列字節(jié)長(zhǎng)度，占用2個(gè)字節(jié)；Command/Response 即發(fā)送命令或是回復(fù)命令，占用1個(gè)字節(jié)；Data為發(fā)送報(bào)文的數(shù)據(jù)部分，占用N*8個(gè)字節(jié)；Checksum為對(duì)整幀數(shù)據(jù)，從STX到狀態(tài)標(biāo)記字節(jié)的CRC校驗(yàn)，占用戶2個(gè)字節(jié)。

激光雷達(dá)的主要相關(guān)參數(shù)主要有測(cè)量距離、分辨率、角度分辨率、掃描頻率和掃描角度等。LMS221型激光雷達(dá)的測(cè)量距離范圍最大為80 m，測(cè)量距離分辨率為10 mm。其測(cè)量結(jié)果主要由2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)表示，高低字節(jié)值相加得到測(cè)量點(diǎn)的距離值，該結(jié)果乘以設(shè)定的分辨率就是目標(biāo)到雷達(dá)的徑向距離。

表1 LMS2XX激光雷達(dá)報(bào)文格式

2.2 主要技術(shù)及算法

1）用MSComm控件實(shí)現(xiàn)微機(jī)串口的數(shù)據(jù)通訊

MSComm 控件是Microsoft 提供的簡(jiǎn)化Windows 下串行通信編程的ActiveX 控件，“隱藏”了大部分串口通訊的底層運(yùn)行過(guò)程和許多煩瑣的處理過(guò)程，同時(shí)支持查詢方法和事件驅(qū)動(dòng)的機(jī)制，事件驅(qū)動(dòng)通訊是交互方式處理串口事務(wù)的一種非常有效的方法，特別適合Windows 程序的編寫。在串口通訊過(guò)程中，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)、收到數(shù)據(jù)或產(chǎn)生傳輸錯(cuò)誤時(shí)，觸發(fā)MSComm 控件的OnComm 事件，然后可以通過(guò)判斷CommEvent 屬性值獲得事件類型，再根據(jù)事件類型進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。因此用其實(shí)現(xiàn)微機(jī)串口的數(shù)據(jù)通訊可以用較少的程序代碼輕松實(shí)現(xiàn)串口的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)通訊。

2）采用MSComm事件驅(qū)動(dòng)方式采集數(shù)據(jù)

MSComm 串口控件數(shù)據(jù)接收方式有2種：a.在MSComm 事件中接收數(shù)據(jù)。這種方式能充分MSComm 控件的特性。OnComm 事件還可以檢查和處理通訊錯(cuò)誤；可以通過(guò)檢查CommEvent 屬性的值來(lái)查詢事件和錯(cuò)誤。對(duì)于不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比較復(fù)雜的情況，此法不是很方便。b.定時(shí)器輪循法采集數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)包方式收發(fā)數(shù)據(jù)以及不需實(shí)時(shí)響應(yīng)情況，用輪循法更好些。實(shí)際上輪循法最大的好處在于集中處理數(shù)據(jù)而且不太占用CPU。輪循法要注意定時(shí)采集的時(shí)間片段大小，這里用二進(jìn)制收發(fā)模式，使屬性RThreshold，SThreshold為0，屏蔽OnComm事件。

本實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理程序采用MSComm 事件驅(qū)動(dòng)方式。MSComm_OnComm的事件處理程序只處理comEvReceive 事件。

3）串行數(shù)據(jù)的發(fā)送

在串行接收字程序當(dāng)中，首先去掉待發(fā)送數(shù)據(jù)中的空格，然后要確保待發(fā)送字節(jié)為0～F的十六進(jìn)制字符。得到正確格式的發(fā)送字節(jié)后，將其送入發(fā)送緩沖區(qū)中（MSComm.Output），最后再送入LMS221。

4）串行數(shù)據(jù)的接收

設(shè)置MSComm 控件的接收數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制，即InputMode=comInput ModeBinary，但用Input 屬性讀取數(shù)據(jù)時(shí)，不能直接賦值給Byte類型變量，只能通過(guò)先賦值給1個(gè)Variant類型變量，返回1個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)組，再轉(zhuǎn)換保存到Byte類型變量中。

設(shè)置MSComm 控件的接收中斷觸發(fā)值為1，即Rthreshold=1。以數(shù)據(jù)采集狀態(tài)為例，當(dāng)有1個(gè)串行字符進(jìn)入接收緩沖區(qū)后，觸發(fā)串行中斷事件。在串行中斷程序中，先取得接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，判斷是否為幀頭的開(kāi)始，若是再取得下一字節(jié)數(shù)據(jù)，判斷是否為幀頭的第2個(gè)數(shù)據(jù)，直到找到幀頭為止。找到幀頭后，其后數(shù)據(jù)便是測(cè)量數(shù)據(jù)與幀尾，找到測(cè)量數(shù)據(jù)并將其存入數(shù)據(jù)中，送入下一步處理[5]。

5）接收數(shù)據(jù)掃描繪圖

將掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析之后，得到的是極坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)的公式為

式中：R為由解析數(shù)據(jù)得到的測(cè)量點(diǎn)離原點(diǎn)的距離；θ為此點(diǎn)的掃描角度。

在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)使掃描距離與掃描角度的值相吻合，以0.5°的角度分辨率為例：定義一個(gè)二維數(shù)組，用于暫存測(cè)量點(diǎn)距離和對(duì)應(yīng)的角度。將每一幀數(shù)據(jù)的第1個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)賦給數(shù)組第1 列，再將其對(duì)應(yīng)的角度賦給數(shù)組第2 列相應(yīng)的位置，依次把一幀數(shù)據(jù)存于這個(gè)二維數(shù)組。再將此二維數(shù)組中的數(shù)據(jù)繪制出來(lái)[6]。

6）掃描數(shù)據(jù)的回放

單擊上位機(jī)中“數(shù)據(jù)回放”按鍵，從PC 機(jī)中加載保存的測(cè)量數(shù)據(jù)，再?gòu)谋４嬗袦y(cè)量數(shù)據(jù)的txt 文件中找到測(cè)量數(shù)據(jù)，然后調(diào)用掃描繪圖函數(shù)將其繪制。當(dāng)數(shù)據(jù)不夠完整一幀的時(shí)候需要舍棄。掃描數(shù)據(jù)回放流程圖見(jiàn)圖1，回放顯示結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 掃描數(shù)據(jù)回放流程圖

圖2 數(shù)據(jù)回放

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及功能

本文中設(shè)計(jì)了LMS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)能設(shè)置LMS的各項(xiàng)參數(shù)，控制LMS的工作，并能將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232總線采集到計(jì)算機(jī)中并保存。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖3所示。

LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

圖3 LMS上位機(jī)運(yùn)行界面

1）該系統(tǒng)應(yīng)能夠靈活選擇LMS的工作方式，設(shè)置LMS的各項(xiàng)參數(shù)。在數(shù)據(jù)采集軟件中應(yīng)能對(duì)系統(tǒng)波特率、工作串口、掃描角度范圍、掃描角度分辨率等做出選擇。

2）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，能夠以掃描繪圖的形式顯示出來(lái)。上位機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)不能夠生動(dòng)形象、直觀地表現(xiàn)出被測(cè)物體的距離和形狀等特性，而掃描繪圖顯示部分不但能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離成像，而且可以直觀地反映出被測(cè)物體的主特性。

3）該系統(tǒng)應(yīng)能將LMS的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232 接口采集到計(jì)算機(jī)中并保存。采集系統(tǒng)采集到的是一組組動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流，存儲(chǔ)系統(tǒng)的目的是能以一種快速有效的格式把該數(shù)據(jù)流源源不斷地存入存儲(chǔ)單元中。而且要求這種存儲(chǔ)格式可以方便今后有需要時(shí)，隨時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、修改和處理。

4）對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理后有數(shù)據(jù)回放功能。動(dòng)態(tài)采集并保存的數(shù)據(jù)反映出了掃描雷達(dá)對(duì)被測(cè)物體的掃描過(guò)程，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的回放可得到被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等有用的信息，方便用戶利用這些信息做一些有價(jià)值的判斷。

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

在LMS221 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)試方案中，針對(duì)系統(tǒng)特性，調(diào)試將分為模擬調(diào)試和上機(jī)調(diào)試2種方案。其中模擬調(diào)試是上機(jī)調(diào)試的基礎(chǔ)，2種調(diào)試方案都將遵循LMS 從上電后的硬件復(fù)位到數(shù)據(jù)停止采集的過(guò)程進(jìn)行一一調(diào)試。

模擬仿真調(diào)試過(guò)程中用到了串口調(diào)試常用軟件，即串口調(diào)試助手軟件和虛擬串口軟件。上機(jī)調(diào)試將LMS221 激光雷達(dá)通過(guò)RS-232 串口接至上位機(jī)計(jì)算機(jī)當(dāng)中，調(diào)整好24V直流電源，打開(kāi)LMS221，在上位機(jī)中對(duì)LMS221進(jìn)行控制與調(diào)試。

3 小結(jié)

基于激光測(cè)距雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用VB6.0開(kāi)發(fā)完成，界面操作簡(jiǎn)單，易于功能擴(kuò)充，能靈活配置LMS工作方式，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)能將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳至上位機(jī)中進(jìn)行掃描繪圖，并可進(jìn)行保存。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，使用效果良好。

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