基于激光雷达的车辆避障控制研究

李媛　刘营

摘 要：针对无人驾驶车辆的环境感知与避障问题，以高性能的STM32微控制器作为控制核心，采用激光雷达传感器作为环境感知工具，设计了车辆避障系统，完成了由微控制器、激光雷达、电机驱动为主要组成的控制系统硬件设计选型与系统集成，以及由雷达数据处理程序、车辆运动避障程序等构成的软件系统开发。系统综合测试效果良好，能够实现车辆的正常的行进控制，以及对障碍物的有效规避。

关键词：无人车辆；激光雷达；智能避障；智能控制

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

1 引言

随着现代信息技术的发展，人们的生产生活方式也正在发生着日新月异的变化。近年来，智能化和无人化技术飞速发展，无人驾驶车辆、无人驾驶工程机械成为研究热点[1，2]。通过车辆、机械设备无人化运行，降低人员在危险環境下的暴露时间，降低劳动强度，提高安全性。

避障控制是所有无人化设备的设计实现过程中必须面对的共性问题[3]。不管是在道路行驶的无人驾驶车辆，还是在复杂环境下作业的工程机械，以及无人机、无人船等，首先需要解决的是如何有效地感知外界环境，避免设备与外界障碍的碰撞。避障系统的研制是一个综合了多系统多学科交叉的系统工程，它集中运用自动控制技术、现代传感器技术、计算机通信技术以及当今许多的前沿科学技术。

本文以小型四轮车辆为对象，采用激光雷达传感器进行环境感知，进而实现车辆的避障控制。完成了系统的硬件系统集成、软件开发调试，以及系统的综合测试。

2 硬件系统设计

智能车避障系统通过在车体加载多种传感器，用来感知车辆周围的环境信息和车体本身内部的运行状态，从而获取道路环境，车辆位置以及障碍物的信息，经过计算机控制系统对传感器感知到的数据信息进行解析，进而控制车辆的前进方向和速度，实现了车辆在道路上的安全可靠行驶。智能车避障系统不仅可以实现车辆在特定环境的自主运动，同时还可以对障碍物做出规避行为。避障系统总体结构框图如图1所示。

2.1 核心控制单元

STM32F407微控制器是意法半导体公司基于Cortex-M4内核开发的高性能微控制器，采用了先进的90纳米制造工艺，同时采用了自适应实时存储器加速器技术，弥补高速CPU与相对低速FLASH指令读取之间的矛盾，极大程度地提升了程序的执行效率，将Cortex-M4的性能发挥到了极致水平。STM32F407微控制器的工作频率达到了拥有168MHZ，拥有高达1M的FLASH和192Kb的SRAM，并且具有丰富的通用I/O口、AD转换等外围资源[4]。

2.2 激光雷达

激光雷达制造技术的相对复杂，市场上目前的工业级激光雷达价格昂贵，为此，在技术原理验证阶段，选择了低成本的B0602消费级激光雷达。该款激光雷达采用了三角测距原理，拥有每秒2000次的高速激光雷达测距能力，采用了调制脉冲的驱动方式，并使用功率极低的红外线激光源作为雷达的激光发射器，仅在很短的时间内进行发射动作，能够对二维平面6米半径范围内的物体进行360度范围的测距检测，能够满足避障系统设计要求。

（1）测量原理。原理：激光雷达红外发射器按照一定的角度将一束红外光束从发射光源发射出去，当红外光束遇到障碍物的时会被反射回来，反射回来的红外光线被激光雷达内部的CCD检测器检测到，获得一个偏移距离，进而求出发射光线与CCD检测器的夹角，最终通过三角函数运算可以得到激光雷达到障碍物的距离。

（2）通信协议。B0602激光雷达通过串口与单片机进行数据通讯，STM32微控制器从激光雷达发送过来的数据帧中提取有效数据。如表1所示，通讯数据帧采用16进制格式，由帧头、帧长度、帧类型、命令字、参数长度、参数、校验码组成，包括雷达转速、分辨率、旋转角度、探测距离、设备健康状态等信息。单片机需要将激光雷达上传的数据依据通讯协议进行数据解析，得到激光雷达的实时测量信息和设备的健康状态信息。

2.3 电机驱动

本系统使用小型四轮车辆模型作为激光雷达的载体，采用四个直流电机分别驱动四个车轮的运转，实现车辆的前进、后退、转向动作。单片机输出的控制信号，经电机驱动器，进而驱动电机旋转以及车辆的行进。

3 软件设计

避障系统软件包括系统初始化程序、激光雷达数据帧处理程序、车辆避障控制程序等组成。系统初始化程序主要通过配置寄存器，实现系统时钟配置、GPIO通用端口配置、USART通讯串口配置、NVIC中断函数配置。

激光雷达数据帧处理程序是单片机利用串口通信，接收来自于激光雷达的数据帧，并按照帧格式进行数据解析，得到当前车辆在四周的每个角度及其相应的与障碍物的距离值，实现环境感知。

车辆避障控制程序是在环境感知的基础上，设计车辆运动控制律，一方面实现车辆的有效运动，另一方面能规避已知的障碍物。避障系统的控制逻辑是当激光雷达前方未检测到障碍物时车辆径直前进；如果前方检测到障碍物则再次判断车辆左侧有无障碍物，如果没有检测到则左转，若左侧检测到障碍物则再次检测右侧是否有障碍物，如果右侧没有检测到障碍物则右转，如果检测到障碍物则进行后退。

4 结论

智能车辆避障在国防军事和民用方面都拥有极其深厚的应用前景。本文针对无人化车辆行进过程中的避障问题，设计了智能避障系统，采用高性能微控制器STM32作为核心控制器，激光雷达作为障碍物检测传感器，完成了硬件系统设计选型与系统集成，以及包括雷达数据处理程序、车辆避障控制程序在内的软件系统开发，实现车辆

前进倒退、转弯行驶，能够自动根据激光雷达检测信号自主驾驶，检测到障碍物后能够自动避障等功能，实现小车智能避障。

参考文献：

[1]王国胤，陈乔松，王进.智能车技术探讨[J].计算机科学，2012，

39（05）：1-8.

[2]山推.山推全液压推土机成功应用无人驾驶技术[J].工程机械，

2014，45（01）：98.

[3]段建民，石慧.无人驾驶智能车导航系统控制研究[J].计算机仿真，2016，33（02）：198-203.

[4]姚文详，宋岩.ARM Cortex-M3权威指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009（07）.

本论文来源于山东省重大科技创新工程项目，项目名称《基于工业物联网的工程机械智能装配数据采集与处理关键技术研究与应用》，项目编号：2017CXGC0603

作者简介：李媛（1985-），女，山东济宁人，本科，工程师，研究方向：工程机械设计及其自动化。