基于激光雷達的車輛避障控制研究

李媛　劉營

摘 要：針對無人駕駛車輛的環(huán)境感知與避障問題，以高性能的STM32微控制器作為控制核心，采用激光雷達傳感器作為環(huán)境感知工具，設計了車輛避障系統(tǒng)，完成了由微控制器、激光雷達、電機驅動為主要組成的控制系統(tǒng)硬件設計選型與系統(tǒng)集成，以及由雷達數(shù)據(jù)處理程序、車輛運動避障程序等構成的軟件系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)綜合測試效果良好，能夠實現(xiàn)車輛的正常的行進控制，以及對障礙物的有效規(guī)避。

關鍵詞：無人車輛；激光雷達；智能避障；智能控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.122

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活方式也正在發(fā)生著日新月異的變化。近年來，智能化和無人化技術飛速發(fā)展，無人駕駛車輛、無人駕駛工程機械成為研究熱點[1，2]。通過車輛、機械設備無人化運行，降低人員在危險環(huán)境下的暴露時間，降低勞動強度，提高安全性。

避障控制是所有無人化設備的設計實現(xiàn)過程中必須面對的共性問題[3]。不管是在道路行駛的無人駕駛車輛，還是在復雜環(huán)境下作業(yè)的工程機械，以及無人機、無人船等，首先需要解決的是如何有效地感知外界環(huán)境，避免設備與外界障礙的碰撞。避障系統(tǒng)的研制是一個綜合了多系統(tǒng)多學科交叉的系統(tǒng)工程，它集中運用自動控制技術、現(xiàn)代傳感器技術、計算機通信技術以及當今許多的前沿科學技術。

本文以小型四輪車輛為對象，采用激光雷達傳感器進行環(huán)境感知，進而實現(xiàn)車輛的避障控制。完成了系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)調試，以及系統(tǒng)的綜合測試。

2 硬件系統(tǒng)設計

智能車避障系統(tǒng)通過在車體加載多種傳感器，用來感知車輛周圍的環(huán)境信息和車體本身內部的運行狀態(tài)，從而獲取道路環(huán)境，車輛位置以及障礙物的信息，經(jīng)過計算機控制系統(tǒng)對傳感器感知到的數(shù)據(jù)信息進行解析，進而控制車輛的前進方向和速度，實現(xiàn)了車輛在道路上的安全可靠行駛。智能車避障系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)車輛在特定環(huán)境的自主運動，同時還可以對障礙物做出規(guī)避行為。避障系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

2.1 核心控制單元

STM32F407微控制器是意法半導體公司基于Cortex-M4內核開發(fā)的高性能微控制器，采用了先進的90納米制造工藝，同時采用了自適應實時存儲器加速器技術，彌補高速CPU與相對低速FLASH指令讀取之間的矛盾，極大程度地提升了程序的執(zhí)行效率，將Cortex-M4的性能發(fā)揮到了極致水平。STM32F407微控制器的工作頻率達到了擁有168MHZ，擁有高達1M的FLASH和192Kb的SRAM，并且具有豐富的通用I/O口、AD轉換等外圍資源[4]。

2.2 激光雷達

激光雷達制造技術的相對復雜，市場上目前的工業(yè)級激光雷達價格昂貴，為此，在技術原理驗證階段，選擇了低成本的B0602消費級激光雷達。該款激光雷達采用了三角測距原理，擁有每秒2000次的高速激光雷達測距能力，采用了調制脈沖的驅動方式，并使用功率極低的紅外線激光源作為雷達的激光發(fā)射器，僅在很短的時間內進行發(fā)射動作，能夠對二維平面6米半徑范圍內的物體進行360度范圍的測距檢測，能夠滿足避障系統(tǒng)設計要求。

（1）測量原理。原理：激光雷達紅外發(fā)射器按照一定的角度將一束紅外光束從發(fā)射光源發(fā)射出去，當紅外光束遇到障礙物的時會被反射回來，反射回來的紅外光線被激光雷達內部的CCD檢測器檢測到，獲得一個偏移距離，進而求出發(fā)射光線與CCD檢測器的夾角，最終通過三角函數(shù)運算可以得到激光雷達到障礙物的距離。

（2）通信協(xié)議。B0602激光雷達通過串口與單片機進行數(shù)據(jù)通訊，STM32微控制器從激光雷達發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀中提取有效數(shù)據(jù)。如表1所示，通訊數(shù)據(jù)幀采用16進制格式，由幀頭、幀長度、幀類型、命令字、參數(shù)長度、參數(shù)、校驗碼組成，包括雷達轉速、分辨率、旋轉角度、探測距離、設備健康狀態(tài)等信息。單片機需要將激光雷達上傳的數(shù)據(jù)依據(jù)通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析，得到激光雷達的實時測量信息和設備的健康狀態(tài)信息。

2.3 電機驅動

本系統(tǒng)使用小型四輪車輛模型作為激光雷達的載體，采用四個直流電機分別驅動四個車輪的運轉，實現(xiàn)車輛的前進、后退、轉向動作。單片機輸出的控制信號，經(jīng)電機驅動器，進而驅動電機旋轉以及車輛的行進。

3 軟件設計

避障系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化程序、激光雷達數(shù)據(jù)幀處理程序、車輛避障控制程序等組成。系統(tǒng)初始化程序主要通過配置寄存器，實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘配置、GPIO通用端口配置、USART通訊串口配置、NVIC中斷函數(shù)配置。

激光雷達數(shù)據(jù)幀處理程序是單片機利用串口通信，接收來自于激光雷達的數(shù)據(jù)幀，并按照幀格式進行數(shù)據(jù)解析，得到當前車輛在四周的每個角度及其相應的與障礙物的距離值，實現(xiàn)環(huán)境感知。

車輛避障控制程序是在環(huán)境感知的基礎上，設計車輛運動控制律，一方面實現(xiàn)車輛的有效運動，另一方面能規(guī)避已知的障礙物。避障系統(tǒng)的控制邏輯是當激光雷達前方未檢測到障礙物時車輛徑直前進；如果前方檢測到障礙物則再次判斷車輛左側有無障礙物，如果沒有檢測到則左轉，若左側檢測到障礙物則再次檢測右側是否有障礙物，如果右側沒有檢測到障礙物則右轉，如果檢測到障礙物則進行后退。

4 結論

智能車輛避障在國防軍事和民用方面都擁有極其深厚的應用前景。本文針對無人化車輛行進過程中的避障問題，設計了智能避障系統(tǒng)，采用高性能微控制器STM32作為核心控制器，激光雷達作為障礙物檢測傳感器，完成了硬件系統(tǒng)設計選型與系統(tǒng)集成，以及包括雷達數(shù)據(jù)處理程序、車輛避障控制程序在內的軟件系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)車輛

前進倒退、轉彎行駛，能夠自動根據(jù)激光雷達檢測信號自主駕駛，檢測到障礙物后能夠自動避障等功能，實現(xiàn)小車智能避障。

參考文獻：

[1]王國胤，陳喬松，王進.智能車技術探討[J].計算機科學，2012，

39（05）：1-8.

[2]山推.山推全液壓推土機成功應用無人駕駛技術[J].工程機械，

2014，45（01）：98.

[3]段建民，石慧.無人駕駛智能車導航系統(tǒng)控制研究[J].計算機仿真，2016，33（02）：198-203.

[4]姚文詳，宋巖.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009（07）.

本論文來源于山東省重大科技創(chuàng)新工程項目，項目名稱《基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工程機械智能裝配數(shù)據(jù)采集與處理關鍵技術研究與應用》，項目編號：2017CXGC0603

作者簡介：李媛（1985-），女，山東濟寧人，本科，工程師，研究方向：工程機械設計及其自動化。