智能小车环境感知系统的设计*

刘得权，李政清，王 榜，秦家屹，智慧超，张雪峰，颜 微

(三亚学院理工学院，海南 三亚 572022)

0 引言

环境感知是智能驾驶安全行驶的前提，也是整个系统中至关重要的一环，直接决定无人驾驶车辆的决策和规划的智能化水平[1]。环境感知技术模块通过处理各类车载传感器输出的感知信息来获取智能汽车自身的状态信息、周围交通参与物的状态信息、交通环境信息等，为智能汽车的路径规划及驾驶行为决策提供必要的数据支持[2]。因此，智能汽车环境感知系统成为研究热点。

1 系统设计原理

智能汽车的环境感知功能的实现基于车辆四周的环境信息，根据环境做出适当的决策，用来提供相关外部环境的信息，同时与外部环境交互。

1.1 红外传感器

传感器的原理是红外摄影。这种类型的传感器针对适应车辆和行人的环境进行了优化，特别在夜间。在日常生活中，汽车的排气温度比环境温度高得多，发出的红外辐射比背景环境高得多，因此，汽车底部的排气区域在图片中更亮，红外图像比背景更明显。可以通过锁定车辆底部的亮白区域来获取位置信息。同理可得，与环境相比，夜间人体的温度很高，因此容易检索和接收有关行人位置的信息。

1.2 超声波传感器

超声波传感器具有简单，小型和性价比高的特点，可检测短距离目标物。传感器发射超声波在遇到障碍物时就会产生反射波，继而回到超声波雷达传感器，主机控制器通过时间间隔T和声速C，能够计算得出从测量到障碍物的距离d[3]。

1.3 激光雷达

激光雷达是将激光束发送到目标，通过接收和反射之间的时间间隔确定到目标的距离，通过几何变换激光束角度能够获得有关对象位置的信息。脉冲测距法各因素之间的关系：

(1)

由于脉冲法倾向于使用峰值较大的激光器，所以该方案具有较高的测量速度和强抗干扰等好处。缺点是检测电路的设计复杂并且难以提高分辨率。式(2)为相位法测距各因素之间的关系：

(2)

其中：L表示激光雷达跟障碍物的距离；n表示激光的折射率；C表示真空光速；trec表示发射时间；ttrs表示反射回的时间；f表示正弦波电信号的频率。

通过对比，选择红外和超声波传感器，优点为电路简单和硬件性价比高。更重要的是，在恶劣的环境中激光区域会受到干扰，影响测量结果。

2 系统硬件设计

小车分为电源模块、传感器模块、电机驱动模块和微控制器模块等。在整个小车中，单片机被用作主要的微控制器，直流电动机被用作驱动力，4个1.5 V电池提供电力以满足微控制器和其他电路的电压需求。驱动模块使用的是L298N电机。小车有左右两个轮子，每个驱动电机控制一个轮胎，并且可以调节前两个轮的旋转以提供驱动[4]。增加了一个万向轮可以起到支撑作用。当主控制器芯片接收到环境传感器发送的环境信号时，它将分析并确定该信号，然后将适当的动作发送到驱动模块，然后控制小车的运转，继而实现环境感知功能。

2.1 超声波测距模块

设计所使用的HC-SR04超声波模块能够测量到与障碍物的距离，并对其进行分析和数据处理[5]，再发送给STC89S51单片机，接着再将其显示在1602 LCD上[4]。图1为超声波模块总体框图。

图1 超声波测距传感器的总系统框图

设计所使用的超声波模块能够测量3 m以内的距离，所以对于一些短距离测量实验是非常适用的；模块主要包括控制电路、超声波发射器和超声波接收器[5]，可实现毫米级的极高测量精度。

2.2 电机驱动模块

设计使用的L298N驱动模块非常稳定，使用高增益的铝电解电容器来保持电路稳定运行。它能够直接控制两个直流电动机，且提供5 V输出接口；这为单片机系统提供了电源，并可以很直接地控制直流电动机；这对于制造智能小车具有很大意义。

2.3 微控制器

STC89C52微控制器是具有效率高、存储容量大和抗干扰功能的单片机。该内置存储器能够擦除和记录多次，因此提高了软件开发测试的便利性和可靠性。当智能小车在行驶时，计算机控制系统从传感器模块接收数据，在程序完成后检测距离，通过定时器程序来控制发动机继而控制汽车的行驶。

3 系统软件设计

图2为超声波测距的主程序流程图。启动电源后，首先执行初始化步骤来初始化LCD1602模块、DS18B20模块和HC-SR04模块；然后使用DS18B20通过温度传感器测量温度，使用HC-SR04超声波测距模块测量距离。如果到物体的距离的测量值小于或大于按键设置的范围，则蜂鸣器会发出警报；最终把测量距离值显示在LCD上。

图2 超声波测距流程图

4 测试与结果

4.1 红外避障测试

通过在不同光照强度下用红外传感器来进行检测障碍物实验发现，不可在太阳光直射的地方进行试验，因为太阳中含有大量的红外线，会干扰红外检测。用蓝牙控制小车前进，在没有障碍物的道路上进行实验时，小车会持续往前走，直到碰见障碍物，由于远处物体反射的信号会较微弱，以至于反射回来的红外线微乎其微，无法达到传感器动作的水平，所以小车不会发生转向；在智能小车的前右方设置一个障碍物时，小车右轮正转，左轮反转，小车整体向左转弯；在智能小车的前左方设置一个障碍物时，小车左轮正转，右轮反转，小车整体向右转弯。

表1 红外避障测试结果表

通过多次实验，小车在遇道前方障碍物时，通过红外传感器模块，能自动进行规避，实现了红外避障这一功能。测试表明，系统能够正常运行，快速且稳定，具有硬件简单的特点，有动态的环境感知能力并可以提供预期的结果。

4.2 超声波测距测试

1) 温度补偿影响测试：温度的变化对整个测试具有显著影响，特别是在昼夜温差较大的情况下。当温度降低的时候，声音速度提高；当温度上升的时候，声音速度降低。下面对实际距离为250 cm分别做有无温度补偿测试，选择的时间为一天中的3个不同时段。

表2 有温度补偿与无温度补偿对照数据表

实验可得，通过把无温度补偿作为参考组，测得的距离与实际的距离相对误差高达6.4；相反，在有温度补偿的条件下，测得的距离与实际的距离的相对误差非常小，最大为0.92。有温度补偿比无温度补偿的相对误差小得多。所以具有温度补偿方案的各种系统可以显著提高测量的准确性，并代表了对于整个系统设计至关重要的连接。

2) 报警测试：分别对实际距离为100 cm和200 cm做两组报警测试，每组分别用按键设置报警值为50 cm、75 cm、100 cm，检验当测量距离大于报警距离时，报警器是否会报警。

表3 测量距离与报警距离测试

实验可得，实际距离与测量距离的误差不大。当测量距离大于报警距离时，报警装置都会发出声音；而当测量距离小于报警距离时，报警器不会发出声音，说明报警装置对测出来的距离反应非常灵敏，实现了报警功能。

5 结论

系统基于红外传感器，以检测、决策、控制前方物体或状态，并对其进行多次测试，在不同的环境中都能良好运行，实现红外避障功能。同时利用超声波和温度传感器融合的前方测距和温度检测系统，实现了超声波测距，并在对超声波测距时做了温度补偿，实时测温。智能车辆对环境的感知正从单一传感器感知周围车辆和障碍物位置、运动状态逐渐到多传感器融合感知，使车辆拥有更加智能、适应性强、全方面的环境感知系统。