基于DSP的激光雷達數據智能接口卡設計

無(wú)人自動(dòng)駕駛車(chē)輛是室外移動(dòng)機器人的一種，車(chē)上控制系統對車(chē)輛進(jìn)行自主控制，實(shí)現無(wú)人駕駛。我們的車(chē)輛研究使用SICK公司的LMS291激光雷達作為主要的障礙物檢測傳感器，并同時(shí)用于車(chē)輛的激光導航。該激光雷達支持RS-232和RS-422串行通信，由于RS-232通信的最大速率為20k bps，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測障礙物的需要。因此，在智能車(chē)輛上，采用RS-422傳輸激光雷達數據，傳輸速率為500K bps。

為滿(mǎn)足激光雷達和PC機的高速數據傳輸，現有的解決方案的實(shí)時(shí)性得不到保障，而且都不具備任何數據處理功能，而障礙物檢測功能應集成到底層硬件平臺上實(shí)現，萬(wàn)一PC發(fā)生死機，車(chē)輛仍能自動(dòng)避撞，保證了車(chē)輛系統的安全性和可靠性。因此，需要開(kāi)發(fā)一套新的接口卡來(lái)實(shí)現這些功能。

1 接口卡研制目標和總體方案

針對激光雷達在智能車(chē)輛上的應用要求，我們對接口卡的功能提出了如下目標：

（1）激光雷達數據采集功能。通過(guò)RS-422與LMS291激光雷達進(jìn)行通信，通信速率為500k bps；可實(shí)時(shí)獲取激光雷達數據；可配置激光雷達參數。

（2）數據傳輸功能。通過(guò)CAN總線(xiàn)將采集的激光雷達數據送往上位機PC。

（3）障礙物檢測功能。通過(guò)系統對激光雷達數據的處理，獲取障礙物檢測參數，通過(guò)I/O，直接發(fā)送緊急停車(chē)命令給底層控制器，緊急剎車(chē)。

根據系統要求，板上的CPU決定選用TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片，它速度快、功耗低、易于開(kāi)發(fā)、資源豐富、有片上CAN控制器等。LF2407A采用哈佛總線(xiàn)結構，具有16位高性能的CPU，時(shí)鐘頻率為40MHZ并支持軟件改變鎖相環(huán)的頻率，在智能控制和通信中得到廣泛應用。500)this.style.width=500; border=0>

2 系統硬件設計

2.1 RS-422通信接口設計

RS-422A通信接口標準是EIA公布的“非平衡電壓數字接口電路的電氣特性“標準，它采用非平衡發(fā)送器和差分接收器，電平變化范圍為12V，通信速率最大10Mbit/s(120m通信距離內），通信速率最小90Kbit/s(1200m通信距離)。

由于本系統要適應高速大流量數據通信，且要實(shí)現數據處理功能。為了保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性和可靠性，我們選用TI 公司的UART產(chǎn)品TL16C752B。它是一個(gè)超前的解決方案，提供了兩路相互獨立的異步收發(fā)器，具有64字節的發(fā)送和接收FIFO 存儲器，這樣服務(wù)間隔時(shí)間就增加了，使外部CPU 有多余時(shí)間處理其他的應用，減少了整個(gè)UART 的中斷服務(wù)時(shí)間。

本系統將TL16C752B配置在LF2407A的I/O空間，TL16C752B還提供了2個(gè)中斷請求信號分別用于通道A和B申請LF2407A中斷，復用LF2407A的外部中斷XINT1.

2.2 CAN通信接口設計

CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)OSCH公司從80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

本系統使用的DSP芯片已集成了片內CAN控制器，收發(fā)器采用德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230 CAN總線(xiàn)收發(fā)器，主要是與帶有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達1Mb/s。SN65HVD230具有高速、斜率和等待3種不同的工作模式。其工作模式控制可通過(guò)Rs控制引腳來(lái)實(shí)現。

3 系統軟件設計

軟件設計的第一步是初始化，包括系統初始化、異步串口和CAN初始化等。然后是主體部分即UART和CAN的通信以及數據處理等。主體部分程序主要由三大塊組成：激光雷達配置模塊、UART和CAN通信模塊、車(chē)體避撞模塊。

3.1 激光雷達配置模塊

PC與激光雷達之間通過(guò)固定的數據格式進(jìn)行通信，配置激光雷達的流程如下：

(1) 首先打開(kāi)串口，初始化, 等待激光雷達返回開(kāi)機初始化的應答數據。

(2) 使用默認的密碼“SICK_LMS”，改變操作模式為“安裝模式”, 并等待雷達應答數據的返回。

(3) 配置激光雷達和UART串口的速率。先將激光雷達波特率改為500K，等到返回修改成功的應答數據后，再將UART串口的波特率也改為500K。

(4) 設置掃描寬度和角度分辨率，掃描寬度180度，角度分辨率為0.5度。

(5) 請求激光雷達的配置數據，目的是獲得一些參數的值，放到數組中，然后修改部分參數的值，并用命令77h將參數寫(xiě)到激光雷達中。

(6) 切換到監控模式，獲得激光雷達連續掃描數據。

此后雷達便開(kāi)始以26.6毫秒的周期將測量數據以500Kbps的通信速率發(fā)送給接口卡。

3.2 UART和CAN通信模塊

UART采用中斷方式接收激光雷達發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，因為數據傳輸速率為500Kbps，接收中斷非常頻繁，中斷程序過(guò)于復雜會(huì )延誤后續的數據處理，所以整個(gè)中斷程序非常簡(jiǎn)短，不超過(guò)20條指令。當主程序檢測到UART接收到一楨數據后，就將數據寫(xiě)入CAN郵箱4和5，通過(guò)CAN發(fā)送給PC機。同時(shí)，CAN通信采用中斷接收PC機發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，再通過(guò)UART發(fā)送給激光雷達。

3.3 車(chē)體避撞模塊

車(chē)輛在自動(dòng)駕駛時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測車(chē)前方一定范圍內的障礙物，一旦發(fā)現有障礙物就必須控制車(chē)輛緊急制動(dòng)以免發(fā)生事故，這個(gè)障礙物檢測是由安裝在車(chē)前部的激光雷達完成的。

當UART接收到激光雷達一E數據732個(gè)字節后，進(jìn)行CRC校驗，數據校驗無(wú)誤后，去掉E頭和E尾，將距離數據的高位字節和低位字節合并，然后存放在數組Laser_Range[361]里。智能車(chē)輛的寬度為1.4米，我們設置了一個(gè)障礙物檢測區域，是以激光雷達為中心的一個(gè)2×2米的方形區域，只要在這個(gè)區域內有障礙物我們就認為車(chē)的前方有障礙物，需要緊急制動(dòng)。一楨激光雷達數據是361個(gè)距離值，在判斷時(shí)將這361個(gè)數據分為三個(gè)部分，三個(gè)區域內的數據分別有各自的判斷條件，條件如果成立則認為該區域內有障礙物。當檢測完361個(gè)數據以后，如果沒(méi)發(fā)現障礙物則認為是安全的，如果發(fā)現了障礙物則認為有危險，這時(shí)直接通過(guò)I/O發(fā)送命令給底層控制器讓車(chē)輛緊急剎車(chē)。

4 試驗結果

本文對上述接口卡進(jìn)行了試驗驗證。試驗平臺為上海交通大學(xué)研制的無(wú)人自動(dòng)駕駛車(chē)輛，測距傳感器為L(cháng)MS291激光雷達，安裝在車(chē)輛前方。在車(chē)載筆記本電腦的VC++平臺上對CAN接口進(jìn)行配置，接收激光雷達在500kbps下發(fā)送的連續數據，對每一個(gè)測量的距離數據用一個(gè)小圓圈表示，在實(shí)驗室外的車(chē)道上進(jìn)行了實(shí)際演示，結果如下

隨著(zhù)前方障礙物的變化，圖像會(huì )實(shí)時(shí)地跟著(zhù)變化。由于采集速率高，激光雷達數據完全沒(méi)有丟失。數據傳輸實(shí)時(shí)性也很好，筆記本電腦接收激光雷達一楨732個(gè)字節數據的時(shí)間為27.2毫秒，比激光雷達實(shí)際的時(shí)間周期只延遲了0.6毫秒，達到了車(chē)輛精確定位導航算法的要求。

5 結論

本文針對無(wú)人自動(dòng)駕駛車(chē)輛的激光雷達避撞和導航的要求，設計了基于DSP的激光雷達智能接口卡，對PC機中獲得的數據進(jìn)行檢驗的結果表明，數據傳輸的實(shí)時(shí)性和可靠性都很好。而且根據車(chē)輛實(shí)際演示的效果來(lái)看，避撞很可靠。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：1. 本文設計的接口卡采用處理速度較高的DSP系統和外擴高速UART TL16C152B，使得接口卡采集數據的速度能夠達到500Kbps，目前市場(chǎng)上的接口卡一般都不能達到這一速度要求。2. 由于采用了高速的DSP系統，所以在數據采集傳輸的同時(shí)，還可以進(jìn)行數據處理實(shí)現車(chē)輛的自動(dòng)避撞。3. 本文的接口卡和上位機接口選擇了CAN總線(xiàn)傳輸，使得數據傳輸的實(shí)時(shí)性很高，試驗數據表明一楨732個(gè)字節的數據只延遲了0.6毫秒，滿(mǎn)足了筆記本電腦進(jìn)行精確定位導航算法的要求。此接口卡已成功應用在上海交通大學(xué)研制的無(wú)人自動(dòng)駕駛車(chē)輛上，取得了良好的效果。