無人車避讓的實(shí)現(xiàn)

1、無人車避讓的實(shí)現(xiàn)研究陳加蕓 物理與電子工程學(xué)院10級4班 綿陽師范學(xué)院 摘要本文對無人車避讓技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)對現(xiàn)有方案的分析發(fā)現(xiàn)其不足之處進(jìn)行改進(jìn)，自主研發(fā)了一套多組超聲波傳感器利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較廣范圍探測障礙物的超聲障礙檢測系統(tǒng)。為了一定程度上改善目前已有超聲波測距儀測量距離短的缺點(diǎn)，我選擇兩組超聲波傳感器。一組工作頻率為24kHz小波速角的大作用距離超聲波傳感器和一組工作頻率為40kHz小波速角換能器構(gòu)成陣列。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)帶動傳感器做角扇形掃描實(shí)現(xiàn)較廣范圍的障礙物探測。利用現(xiàn)在已有的模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)無人車的避讓。關(guān)鍵詞：超聲波傳感器 無人車 障礙檢測Abstract Technolog

2、y in this paper, the unmanned vehicle collision avoidance is studied, based on the analysis of the existing schemes found its deficiency was improved, the independent research and development a set of multiple sets of ultrasonic sensors using step motor to realize a wide range of detecting obstacles

3、 of ultrasonic obstacle detection system. To a certain extent, improve the existing ultrasonic rangefinder measurement distance shorter shortcomings, I choose two sets of ultrasonic sensors. A set of working frequency of 24 KHZ small wave velocity Angle of the large range of ultrasonic sensor and a

4、set of working frequency of 40 KHZ small wave velocity Angle transducer array. Combined with stepper motor driving Angle sector scan sensors do achieve a wide range of obstacle detection. Using the existing fuzzy control algorithm, realizes the unmanned vehicle collision avoidance. Key words: Ultras

5、onic sensor Unmanned vehicles Obstacle Detection 1 緒論目前用于避障系統(tǒng)的傳感器主要有紅外光傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器等。2007年賀秋麗3：基于激光雷達(dá)的智能車輛避撞系統(tǒng)研究；2008年張海鷹4：超聲波自主探路車的設(shè)計(jì)；2008年閆晶5：移動機(jī)器人避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)超聲波方案；2011年孫慧霞，劉崢6：毫米波調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)復(fù)合測速方法。紅外光對天氣、光照條件、噪聲干擾等不敏感，在炎熱和陽光充足時(shí)會影響，但其傳感器角度分辨率高、距離分辨率低。毫米波雷達(dá)有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，最大的好處是可測距離遠(yuǎn)，而且不受雨雪等惡劣天氣的影響，抗環(huán)

6、境變化能力強(qiáng)，因目標(biāo)的顏色、材質(zhì)等不同而引起的反射率變化小，對物體的透過率高，受灰塵、霧和雨的影響小，在各種目標(biāo)和氣候條件下都能比較穩(wěn)定的進(jìn)行探測13。缺點(diǎn)是利用車載的小型天線難以進(jìn)行高精度測量。另外，采用適合于車載的小型天線時(shí)，因?yàn)椴荒苄纬杉怃J的射束，所以不能進(jìn)行高精度測角,一般是不能使用的1。激光具有高亮度、單色性好、方向性好和相干性好等特點(diǎn),激光波束近似直線,很少擴(kuò)散,波束能量集中,傳輸距離遠(yuǎn),所以激光常用于測量距離、速度和長度等。在汽車測距系統(tǒng)中，非成像激光雷達(dá)同成像式激光雷達(dá)相比更具有實(shí)用價(jià)值,因其具有造價(jià)低、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),而掃描成像激光雷達(dá)普遍存在成像速度過慢的問題,需要

7、進(jìn)一步改善軟、硬件；非掃描成像激光雷達(dá)測點(diǎn)數(shù)目大大減少,可提高系統(tǒng)三維成像速度。激光測距雷達(dá)經(jīng)過多年的研究和發(fā)展,技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，國內(nèi)外已經(jīng)有一些廠家生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品。但在汽車防撞領(lǐng)域，考慮到運(yùn)行環(huán)境特殊，對氣候的適應(yīng)能力和探測距離的要求，激光測距的應(yīng)用具有局限性，主要是因?yàn)榧す鉁y距方式受惡劣天氣、汽車震動、反射鏡表面磨損和污染等因素影響,使探測距離減少1/21/3，降低了使用精度7。超聲波傳感器具有成本低廉，采集信息速率快，距離分辨率高，質(zhì)量輕、體積小，易于裝卸等優(yōu)點(diǎn)。并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時(shí)不存在復(fù)雜的圖像匹配技術(shù)，不需要通過大量的計(jì)算而獲得距離數(shù)據(jù)，因此其測距速度快，實(shí)時(shí)

8、性好。同時(shí)超聲波傳感器不易受到如天氣條件，環(huán)境光照及障礙物陰影，表面粗造度、裂縫等外界環(huán)境條件的影響1。但介質(zhì)對聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介質(zhì)中衰減就越快。根據(jù)以上各種類型傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)分析，因超聲波傳感器檢測迅速、方便，且計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，我決定采用超聲波傳感器。2 方案的理論基礎(chǔ)在移動車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。以多個(gè)傳感器組成陣列形式，根據(jù)單個(gè)傳感器擴(kuò)散角和反射特性，確定合理的密度

9、，來覆蓋要求的探測區(qū)。超聲波傳感器有三種測距方法:(1)相位檢測法，相位檢測法雖然精度高,但檢測范圍有限。(2)聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。(3)渡越時(shí)間檢測法，渡越時(shí)間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。即利用發(fā)射與接收脈沖聲波的時(shí)間間隔來計(jì)算目標(biāo)物體的距離s, 計(jì)算公式為:s= vt/ 2其中: v 為常溫下超聲波的傳播速度；t 為從超聲波傳感器發(fā)射超聲波至接收到第一個(gè)回波信號所用的時(shí)間1。超聲波測距常采用脈沖計(jì)數(shù)方法間接測量時(shí)間,超聲波測距儀就是

10、利用這種方式來工作的，它一般由超聲波發(fā)射器、接收器和信號處理裝置3大部分組成。工作時(shí),超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖；超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來的反射波后,也向測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖；最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理,自動計(jì)算出車輛與障礙物之間的距離7。利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動超聲波傳感器做扇形掃描，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，超聲波傳感器則在此方向上做一次障礙物距離的測量，使得超聲波傳感器的測量范圍擴(kuò)大了。3 實(shí)驗(yàn)方案為了彌補(bǔ)大波束角傳感器分辨能力差，和小波束角傳感器探測范圍不足的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用了用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單套小波束角傳感

11、器，做扇形掃描的方法89。使用步距角為3.6度的步進(jìn)電機(jī)，波束角為3度的超聲傳感器。在左右180度的范圍內(nèi)掃描，則在每一輪掃描中，電機(jī)要步進(jìn)50步。從起始位置開始，超聲傳感器總共會在51個(gè)角度上進(jìn)行測距。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一超聲波傳感器在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下，以固定的角度3.6度步進(jìn)轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)到一個(gè)角度上，測距系統(tǒng)就測取該方向上的障礙物的距離，結(jié)合該位置的掃描角度，使系統(tǒng)獲得兼有方向和距離的障礙物位置信息810。進(jìn)而依據(jù)連續(xù)的障礙物信息，對行駛環(huán)境做出準(zhǔn)確判斷，使得無人駕駛車能自動避開障礙物行駛。3.6度50圖1 測距系統(tǒng)探測的角度4因?yàn)榻橘|(zhì)對超聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介

12、質(zhì)中衰減就越快，所以要用于較大作用距離的測量頻率不能太高，選用厚度H=12mm、直徑D=90mm的24kHz頻率的超聲波換能器振子作為較大距離測量元件；而選用H=3mm、直徑D=50mm的40kHz頻率的超聲波換能器振子作為短距離測量的測量元件；將二者結(jié)合起來則可實(shí)現(xiàn)較大范圍的測量，裝于步進(jìn)電機(jī)上。2m4m20mabT/RRd圖2 合成孔徑邊界在距離換能器前方2m范圍內(nèi)，陣列主波束的最大測量孔徑為： Ds=2tan(1.5o)100.5（m）在距離換能器前方4m處，陣列的合成測量孔徑為：DM=4tan(1.5o)60.6(m)在步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步的為之上都存在這樣兩個(gè)測量孔徑。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)18

13、0度的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得超聲波傳感器的測量范圍較廣，所能探測到的障礙物距離比較精準(zhǔn)。TR接收回波信號的時(shí)間比接收器R延長了t秒，即t（d/c）sin式中，d左、右兩超聲換能器的中心距；C聲波在空氣中的速度；左、右兩超聲波接收器的連線與接收器R中心點(diǎn)到線段b(長聲程)的垂線的夾角。兩超聲換能器接收回波信號延時(shí)量t隨目標(biāo)距離(4-25m)變化而變化的曲線，構(gòu)成了超聲換能器陣列的合成測量邊界。圖2表示區(qū)域中超聲換能器陣列合成測量孔徑的邊界，亦即t與目標(biāo)距離的關(guān)系(在此，用半聲程時(shí)間t表示距離)。010203040506070800.0050.010.0150.020.0250.03t/mst / ms

14、u圖3 合成孔徑的計(jì)算值11應(yīng)用二次多項(xiàng)式擬合圖3所示的曲線，得到如下方程：u=(0.1*x2-3.2*x+52)*10-3式中，u合成測量孔徑邊界t的上界；x障礙物與換能器之間距離所對應(yīng)的射程時(shí)間TOF的一半，即半聲程時(shí)間t。接收器R比換能器TR先接收到回波信號，則在圖3所示的換能器陣列測量孔徑內(nèi)應(yīng)滿足如下關(guān)系:tu障礙物與超聲陣列之間的距離按下式估計(jì):D=(a+b)2超聲波發(fā)射器T與障礙物之間的方位角約為:arcsin(b-a)/d式中，d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于a和b11。再結(jié)合此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的掃描角度可以比較精準(zhǔn)的判斷障礙物相對車的距離和方向。再利用現(xiàn)在已有的技術(shù)模糊控制器的模糊控制算法等規(guī)劃出最優(yōu)避讓

15、軌跡，實(shí)現(xiàn)無人駕駛車的避讓。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析由于現(xiàn)在我的各種知識技術(shù)還不足，不能將實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)仿真。希望在知識擴(kuò)充之后能將其方案實(shí)現(xiàn)。5 結(jié)論本論文中的理論都來源于我查閱的資料文獻(xiàn)，用超聲波實(shí)現(xiàn)的無人車避讓的文獻(xiàn)中，各有各的優(yōu)點(diǎn)。有用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動小波速角的超聲波傳感器，讓傳感器隨著步進(jìn)電機(jī)能探測到180范圍內(nèi)的障礙物，但由于超聲波傳感器波速角的存在，使得在某一方向上的旁角邊上不能及時(shí)探測到障礙物的存在；然而利用不同頻率的兩組超聲波探測器一組用大頻率的來量邊緣角落的障礙物，而另外一組用小頻率的來測量遠(yuǎn)距離的該方向正前方的障礙物。本文將步進(jìn)電機(jī)的扇形掃描與大小頻率超聲波傳感器結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了

16、既能在較寬范圍180的障礙物探測也一定程度上克服了因波速角而不能測量的邊緣角落地區(qū)障礙的不足。致謝經(jīng)過這些日子的不斷努力，這篇論文也形成了。在此論文的寫作過程中遇到了很多困難，為了解決這些困難，我請教同學(xué)，與同學(xué)討論，也在網(wǎng)上收集了很多資料，最終將這些問題一一解決了。在此我要感謝在此過程中與我交流給我建議、給我?guī)椭耐瑢W(xué)，也要感謝老師將論文格式詳細(xì)的給我們講解。沒有父母在家辛勤的勞動，給我提供經(jīng)濟(jì)上和精神上的支持，我是不能完成這篇論文的，所以在此也要感謝我的父母為提供了良好穩(wěn)定的學(xué)習(xí)環(huán)境。最后要感謝學(xué)校給我們提供的數(shù)字圖書館，在上面找到很多有用的資料，為我的論文寫作提供了大量的信息。沒有這樣好

17、的學(xué)習(xí)環(huán)境這篇論文是不能完成的，在此表示再次感謝。參考文獻(xiàn)：1 唐超群現(xiàn)代物理測試技術(shù)M武漢：華中理工大學(xué)出版社，2001 年 2 中國機(jī)械工程學(xué)院無損檢測分會超聲波檢測M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 年3 賀秋麗. 基于激光雷達(dá)的智能車輛避撞系統(tǒng)研究. 上海交通大學(xué)碩士論文， 2007 年 2 月4 張海鷹. 超聲波自主探路車的設(shè)計(jì). 青島科技大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2008年6月10日5 閆晶. 移動機(jī)器人避障系統(tǒng)設(shè)計(jì). 沈陽理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文， 2008年1月6 孫慧霞，劉崢. 毫米波調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)復(fù)合測速方法 J.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 33（卷）： 539-542（2011）7 胡瑜. 汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用與研究 J.機(jī)械工程與自動化，IEEE，161: 214-216（2010）8 付宜利，李寒，徐賀. 方位移動機(jī)器人幾種轉(zhuǎn)向方式的研究 J，制造業(yè)自動化，