一种基于单线激光雷达的无人车避障系统设计

刘砚菊，邹 波，宋建辉，池 云

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳110159；2.辽宁行政学院，沈阳110161)

一种基于单线激光雷达的无人车避障系统设计

刘砚菊1，邹 波1，宋建辉1，池 云2

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳110159；2.辽宁行政学院，沈阳110161)

为了实现无人车辆在野外等复杂环境中顺利躲避障碍物以实现独立自主行走的目的，完成了一种基于单线激光雷达的无人车避障系统软硬件设计及障碍信息实时显示界面。该系统将扫描平面区域划分为紧急避障区、避障区以及远离避障区，对障碍物信息进行编码，不同区域采取不同的控制策略。实验结果证实了这一设计的合理性，证明了该避障系统能够实现无人车独立自主行走的功能。

无人车辆；单线激光雷达；避障系统

科技的快速发展，人们对交通工具的智能化需求越来越大，设计出更加安全、便捷的交通工具是未来发展趋势，其中避障能力的高低是反映智能机器人智能化的一个关键因素[1-3]。另外，军事方面对无人车需求日益增长，无人车发展空间巨大。

目前，无人车发展还处于起步阶段，各国都相继开始了智能无人驾驶汽车的研究[4-5]。如德国的Ibeo公司利用先进的激光传感技术实现汽车的无人驾驶。其中传感器的选择是无人车成功避障的前提，利用视觉传感器的移动机器人避障方法[6-7]，具有探测范围广的特点。然而，单目视觉则只能获取环境的二维图像信息，无法获取环境障碍物的深度信息，双目视觉，则存在实时性差[8]、计算复杂等缺点。依靠超声波或红外测距传感器的移动机器人避障方法[9-10]，则存在探测范围有限，探测点数据量不够多，影响无人车避障控制的精确度等缺陷。而单线激光雷达扫描周期短，探测范围广，能提供大量环境扫描点距离信息，为控制决策提供方便。本文基于单线激光雷达设计并实现了一种无人车避障系统。

1 无人车避障系统设计

1.1 无人车避障系统硬件设计

无人车避障系统硬件设计框图如图1所示。

图1 无人车避障系统硬件设计框图

整个系统主要分为两部分，上位机和下位机。PC机作为上位机，用于接收单线激光雷达采集的环境距离点数据。然后经过编码处理，发送控制指令给下位机—单片机控制模块。单片机控制模块经过通信解码后控制无刷直流电动机驱动器，进而控制无刷直流电动机的动作。下位机的能量核心是一个直流24V的锂电池，它除了直接给无刷直流电动机驱动器供电外，还经过电源模块转换为直流12V电供给单线激光雷达，直流5V电供给单片机控制板。

1.2 避障传感器的选型

在避障控制方面，有众多传感器，比如光电传感器、超声波传感器、单线激光雷达、4线或多线激光雷达等等。其中，光电传感器具有检测距离近，在对黑色物体的检测上，由于黑色物体反射率不强，不能反射足够的光到光电开关接收器上，对黑色障碍物目标检测会失效。超声波传感器具有抗干扰性弱的特点，容易受环境干扰。4线或多线激光雷达具有价格高昂，控制较复杂。而HOKUYO公司生产的单线激光雷达UTM-30LX拥有270°的平面扫描范围，每0.25°发射一个激光束，最大测距30m，一个扫描周期为25ms。内部集成计算单元，用于测算每一个扫描点距离信息，这样每个扫描周期上传1081个环境距离点数据，它们都在激光扫描平面上。设有USB2.0全速通讯接口，方便PC机采集环境障碍物距离信息，为后期的避障策略提供数据支持。所使用的单线激光雷达如图2所示。

图2 单线激光雷达UTM-30LX

1.3 单线激光雷达的工作原理

单线激光雷达基于激光时间飞行原理和多次回波原理而工作。首先由激光发射器发射一脉冲激光波，此时内部定时器记录时间t1，当激光波碰到物体后，部分能量会返回给激光雷达接收器，当接收器接收到返回的激光波时，停止定时器，记录时间t2，则激光雷达中心到障碍物的距离为

S=C×(t2-t1)÷2

(1)

式中C为光速，这样一次测量计算结束。当激光扫描器发射的激光脉冲波遇到的第一个物体是玻璃或其他可以透过的物体时，激光脉冲波会继续前进，当碰到第二个障碍物体时，部分能量返回，当激光接收器接收到的返回激光波能量足以触发门限值，激光扫描器计算它到物体的距离值。以此类推，激光扫描器发出的一个激光脉冲波可以给出多个测量值，用户可以根据需要选择一个或多个测量值。

2 激光雷达扫描界面设计

2.1 环境距离点的表示以及坐标变换

单线激光雷达测得的都是一个个距离点信息，要想显示这些数据点，首先要把每个数据点的坐标确定下来。解析激光雷达回传的数据包，在每一个扫描周期完成后，其将距离点值存放在数组data[]中，共1081个距离点值，代表270°平面区域，相邻两个扫描点的间隔为0.25°。这样用极坐标可以方便地将整个扫描平面区域距离点进行表示，如下：

(2)

式中:θ为极角；ρ为极径。为了将实际环境扫描点信息转换成人眼正常观测环境的视角，这里需要将极坐标做个旋转变换，转换公式如下：

(3)

2.2 利用OpenCV将扫描点显示在窗口上

经过上述扫描点的坐标变换之后，环境距离点的方向与距离这两个要素与实际环境完美契合。但利用OpenCV绘制这些环境距离点云的时候，用的是x、y坐标系的形式，而且绘图窗口上的默认坐标为：左上角为原点位置，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向。这就需要将上述的极坐标系变成与绘图窗口对应的x、y坐标系。在转换的过程中考虑每个距离点的单位为mm，其数值比较大，在映射到x、y坐标系前，对极径做放缩处理，以便所有扫描点全部显示在绘图窗口上。为激光雷达扫描得到的距离点确定一个中心，即激光雷达发射点所在的位置。定义绘图窗口的宽为RadarWidth，高为RadarHeight。设雷达中心的位置坐标为(xd,yd)，相应转换公式如下：

(4)

式中(x,y)为环境扫描点坐标。整个系统在MicrosoftVisualStudio2010开发平台上设计完成，通过加载OpenCV2.4.4函数库，将这些数据点绘制在窗口上，实时刷新，实现无人车运动与环境扫描点的同步，为后面的控制策略做好准备。图3为环境照片，图4为单线激光雷达扫描环境后在电脑界面显示的距离点信息。

图3 测试用的环境

图4 测试的环境距离点映射到电脑显示界面

表1为单线激光雷达采集测试环境距离点的4帧数据信息，每一个数据对应两个属性，即当前角度以及障碍点距离数值,距离数值单位为mm。

表1 激光雷达采集测试环境距离点数据

实际测量的环境障碍点与雷达中心间的距离正如雷达显示界面上描绘的那样，相对位置与距离也都符合实际情况。这样，一种可视化环境描绘出来，为下一步的避障控制提供条件。

3 无人车避障控制方法

3.1 无人车避障控制软件系统流程

无人车避障软件系统工作流程如图5所示。

图5 无人车避障控制软件系统流程图

3.2 无人车避障控制软件系统具体实现

前面已经将单线激光雷达扫描得到的环境距离点信息显示在界面上，能实时观测出单线激光雷达前方270°平面范围上的数据点。这里选取0°～180°的平面扫描区域作为此次障碍物判断处理区域，其它平面区域为冗余区域。扫描平面为一扇形区域，在0°～180°的扫描平面上每隔22.5°划分一个障碍物判断区域，这样在无人车的前方共划分为8个障碍物检测判断区域。设置躲避障碍物距离阈值Section_Min_Threshold和Section_Max_Threshold，以此将整个避障区域划分为无人车紧急避障带、无人车正常避障带以及无障碍带三个区域。反复实验证实，将上述阈值分别设置为400mm和900mm时避障效果最佳，程序里可在头文件中以宏定义的方式设置上述阈值供其它函数调用。控制系统针对划分的三个区域实行不同的控制策略，其中紧急避障带为最高优先级，系统检测到障碍物处于这一区域后立即响应，发送停车指令，及时停车防止碰撞。相应的区域采取相关避障控制动作，相互协调，实现无人车避障任务要求。8个障碍物监测区域，任一区域障碍物的有无用一个标志位表示，其中0表示该区域有障碍物，1表示该区域没有障碍物。通过统计该区域内距离点的数量来判断障碍物的有无，大于给定的数量阈值Point_Cnt_Threshold则表示此区域存在障碍物，否则没有障碍物。此数量阈值实际代表障碍物检测的灵敏度，太小导致灵敏度太高容易误判，经实验测试选用20比较理想，这样8个区域的障碍物分布情况可以用一个无符号字符型变量来标识，通过判断该变量值的情况，向无人车发送控制指令，有效规避障碍物。无人车最终的控制界面与显示界面如图6、图7所示，图6展现单线激光雷达采集数据点的分布，图7展现无人车平台发送控制指令的回显指示，实时显示每一次发出的控制指令。

图6 单线激光雷达采集数据点的分布界面

图7 无人车平台发送控制指令回显指示

4 无人车避障实验

安装避障程序的无人车在室内和楼道进行多次避障实验，障碍物有行人，墙壁、椅子、门、箱子等。实验效果证明无人车避障效果良好，无人车总能在行走过程中避开设置的各种障碍物。图8和图9分别展示了无人车在障碍物为隔板和箱子时的避障实验。

图8 无人车遇到挡板的避障实验

图9 无人车遇到箱子的避障实验

5 结束语

基于单线激光雷达的无人车避障控制系统的一系列研究测试，均具有良好的表现效果，证实了该无人车硬件系统设计、单线激光雷达扫描界面设计以及无人车避障控制方法设计的合理性。

[1]蔡自兴,郑敏捷,邹小兵.基于激光雷达的移动机器人实时避障策略[J].中南大学学报:自然科学版,2006,37(2):324-329.

[2]吕漫丽,孙灵芳.多传感器信息融合技术[J].自动化技术与应用,2008,27(2):79-82.

[3]常建,吴成冬,李斌.移动机器人避障方法综述[J].仪器仪表学报,2010,31(8):439-442.

[4]范红.智能机器人路径规划及避障的研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[5]Ge S S,Cui Y J.Dynamic motion planning for mobile robots using potential field method[J].Autonomous Robots,2002,13(3):207-222.

[6]Souhila K,Karim A.Optical flow based robot obstacle avoidance[J].International Journal of Advanced Robotic Systems,2007,4(1):13-16.

[7]Gini G C,Marchi A.Indoor Robot Navigation With Single Camera Vision[C]//Pattern Recognition in Information Systems,Proceedings of the International Workshop on Pattern Recognition in Information Systems,Pris 2002,in Conjunction with Iceis 2002,Ciudad Real,Spain,2002:67-76.

[8]刘先恩,赵学敏,李岩,等.基于多传感器的移动机器人路径规划[J].计算机工程,2008,34(8):213-215.

[9]张幼明,尹怡欣.基于非线性函数的移动机器人模糊避障算法[J].计算机应用研究,2007,24(11):88-89,92.

[10]江贵龙,金祥克,胡旭东.基于模糊算法的移动机器人导航[J].机电工程,2006,23(2):53-55.

(责任编辑：马金发)

Design of an Obstacle Avoidance System of Unmanned Vehicles with Single-line Laser Radar

LIU Yanju1,ZOU Bo1,SONG Jianhui1,CHI Yun2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China;2.Liaoning Academy of Governance,Shenyang 110161,China)

In order to realize the purpose of intelligent unmanned vehicle field and other complex environment independent drivinge，the hardware and software design of an unmanned vehicle obstacle avoidance system are completed by signal line laser radar and real-time display interface of the obstacle information.A convenient method to partition the scanning plane and encode information of obstacles is proposed by single-line laser radar.Different control strategy is applied in different areas.Experimental results confirm designing rationality，which proves that the system meets the requirement of the unmanned vehicle autonomous driving.

unmanned vehicle；single-line laser radar；the obstacle avoidance system

2016-04-19

辽宁省教育厅科学技术基金资助项目(L2014079)

刘砚菊(1965—)女，教授，博士，研究方向：智能仪器控制装置。

1003-1251(2017)02-0012-05

TP24

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