基于激光測距的盲區檢測雷達設計

混合交通一直以來(lái)都是我國國省道的主要通行及貨運通道，而重型大型貨車(chē)因內外輪半徑差較大，以及，盲區無(wú)法避免等原因，在十字路口路口等紅綠燈時(shí)經(jīng)常發(fā)送交通事故。為此，多地交警在十字路口規劃時(shí)都噴涂上月牙形的轉彎危險區，而上海交管局哪怕規定右轉速度不能超過(guò)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(chē)盲區認知不是非常清晰，這使得貨車(chē)司機成為防止事故發(fā)生的核心因素。盲區雷達基本上成為了司機的第2 雙眼睛，常見(jiàn)的有攝像頭、毫米波、紅外檢測雷達，但當前市場(chǎng)上大多盲區雷達存在著(zhù)：精度差、價(jià)格高、檢測面局限等問(wèn)題。導致貨車(chē)安裝量非常低，因此本文基于激光測距原理設計了一種及低成本的盲區檢測雷達。

1 激光測距應用介紹

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，根據其工作原理和應用場(chǎng)景不同，可以分為多種類(lèi)型，以下是其中常見(jiàn)的幾種：

時(shí)間差法激光測距傳感器：該傳感器通過(guò)發(fā)射激光脈沖，當激光脈沖照射到目標物體上時(shí)，返回的反射光經(jīng)過(guò)接收器接收，并測量其時(shí)間差來(lái)計算距離。時(shí)間差法激光測距傳感器適用于測量較短距離范圍內的距離，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(guò)參考光路，另一束經(jīng)過(guò)目標物體后返回接收器。將兩束激光疊加，通過(guò)相位差來(lái)計算目標物體的距離。相移法激光測距傳感器通常適用于需要高精度測量的場(chǎng)景。

波前法激光測距傳感器：該傳感器通過(guò)測量激光波前形態(tài)的變化來(lái)計算目標物體的距離。其采用的是自適應光學(xué)技術(shù)，能夠自動(dòng)調整激光波前形態(tài)，適應不同距離和目標物體的形態(tài)，具有高精度和廣泛的應用范圍。

相位測量法激光測距傳感器：該傳感器通過(guò)測量激光信號的相位變化來(lái)計算目標物體的距離。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(chǎng)景。

除了以上常見(jiàn)的幾種激光測距傳感器，還有一些其他類(lèi)型的傳感器，如三角測量法激光測距傳感器、多目標激光測距傳感器等，而我們的車(chē)輛盲區檢測基本上就是進(jìn)行車(chē)輛周邊工況檢測，因此我們使用時(shí)間差法激光測距傳感器。

2 系統方案設計

本系統的主要功能是為了檢測大貨車(chē)盲區內是否有其他物品，在停車(chē)和低速時(shí)進(jìn)行安全預警，提醒司機盲區內存在異物，防止安全事故發(fā)生；本系統基于VL53L1傳感器設計了一套盲區檢測系統。該傳感器測量傳感器與周?chē)矬w之間的距離，從而讓系統能檢測到貨車(chē)盲區內的潛在危險。該系統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據，同時(shí)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，當芯片處于Deep Sleep 狀態(tài)時(shí)，整個(gè)芯片會(huì )進(jìn)入低功耗模式，只有RTC 計時(shí)器和一些GPIO 保持喚醒狀態(tài)。在Deep Sleep 模式下，ESP32 可以達到幾微安的功耗，能夠延長(cháng)電池壽命，從而實(shí)現長(cháng)期低功耗運行。

除了低功耗，ESP32 還具備豐富的外設接口，包括GPIO、SPI、UART、PWM等。GPIO 可以通過(guò)軟件控制，實(shí)現各種功能，例如控制LED 燈、讀取傳感器數據等。SPI 接口可以連接外部存儲器或其他外設，實(shí)現數據存儲或傳輸等功能。UART 接口可以連接串口設備，例如電腦或其他微控制器，實(shí)現數據通信。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(mǎn)足不同應用的需求。

VL53L1X 是一種激光測距傳感器，采用時(shí)間差法進(jìn)行距離測量，是一種時(shí)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(shí)間差，從而計算出目標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(diǎn)，在許多應用中都有廣泛的應用，例如自動(dòng)駕駛、智能家居、機器人導航等。芯片內部集成了激光發(fā)射器和SPAD 紅外接收器，采用了第二代FightSenseTM 技術(shù)，通過(guò)接收器所接收到的光子時(shí)間來(lái)計算距離，最遠測量距離可達4 m，適合中短距離測量的應用^[4-8]。

系統使用4.3 英寸LCD 液晶屏作為系統顯示模組，同時(shí)配備高亮LED 及蜂鳴器做聲光提升，根據不同距離及危險程度進(jìn)行警告和提示。

2 硬件系統設計

系統在硬件設計上較為簡(jiǎn)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，在應用中大多都應用于板間通信，無(wú)法進(jìn)行長(cháng)距離通信，因此系統設計上利用ESP32 的WiFi 組網(wǎng)功能，實(shí)現無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )間的數據傳輸^[9-12]，各節點(diǎn)單獨使用1 個(gè)處理器進(jìn)行數據處理、掉線(xiàn)檢測等功能。

系統硬件設計除了駕駛室主機增加聲光系統外，其他節點(diǎn)設計完全一致。硬件系統電路圖如圖1 所示。

圖1

根據電路圖進(jìn)行PCB設計，PCB電路板3D圖如圖2所示。

圖2

3 嵌軟設計及外設通信

對嵌入式軟件設計整體思路是通過(guò)ESP32 的WIFI組網(wǎng)功能，將節點(diǎn)數據進(jìn)行匯總發(fā)送到主機，根據閾值空間不同進(jìn)行相應報警，同時(shí)與常規倒車(chē)雷達類(lèi)似，將距離數據渲染到TFT 屏幕；此外各傳感器節點(diǎn)通過(guò)相應協(xié)議讀取傳感器數據，考慮到傳感器數據的穩定性問(wèn)題，將傳感器數據進(jìn)行濾波處理，保證數據的準確性后才將數據發(fā)給主機，其中激光測距流程如圖3 所示。

圖3

數據匯總時(shí)使用UDP 協(xié)議發(fā)送數據，相應上報數據協(xié)議如圖4 所示。在整個(gè)嵌入式系統的設計過(guò)程中，我們還考慮了系統的低功耗和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，通過(guò)合理的系統設計和代碼實(shí)現，達到了系統低功耗和高實(shí)時(shí)性的目標。

圖4

4 系統測試及結語(yǔ)

在針對于大型貨車(chē)的應用中，主要是對行人、車(chē)輛等物品進(jìn)行檢測，在貨車(chē)盲區安裝傳感器節點(diǎn)后進(jìn)行測試，每組測試100 次，進(jìn)行10 次測試，測試結果如圖5。

圖5

1）靈敏度測試：測試系統是否能夠正確地檢測到障礙物并發(fā)出警報。通過(guò)放置障礙物在車(chē)輛后方和側方不同位置進(jìn)行測試；

2）范圍測試：測試系統的檢測范圍是否符合要求?？梢酝ㄟ^(guò)將障礙物放置在系統檢測范圍的邊緣進(jìn)行測試；

3）精度測試：測試系統的檢測距離和位置是否準確，檢測誤差是否在3% 以?xún)龋?/p>

4）響應時(shí)間測試：測試系統的響應時(shí)間是否符合要求。在25 次采樣濾波周期內（即0.5 s）發(fā)出警告提醒。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）