无人车避让的实现

1、无人车避让的实现研究陈加芸 物理与电子工程学院10级4班 绵阳师范学院 摘要本文对无人车避让技术进行研究，根据对现有方案的分析发现其不足之处进行改进，自主研发了一套多组超声波传感器利用步进电机实现较广范围探测障碍物的超声障碍检测系统。为了一定程度上改善目前已有超声波测距仪测量距离短的缺点，我选择两组超声波传感器。一组工作频率为24kHz小波速角的大作用距离超声波传感器和一组工作频率为40kHz小波速角换能器构成阵列。结合步进电机带动传感器做角扇形扫描实现较广范围的障碍物探测。利用现在已有的模糊控制算法，实现无人车的避让。关键词：超声波传感器 无人车 障碍检测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 绪论目前用于避障系统的传感器主要有红外光传感器、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器等。2007年贺秋丽3：基于激光雷达的智能车辆避撞系统研究；2008年张海鹰4：超声波自主探路车的设计；2008年闫晶5：移动机器人避障系统设计超声波方案；2011年孙慧霞，刘峥6：毫米波调频步进雷达复合测速方法。红外光对天气、光照条件、噪声干扰等不敏感，在炎热和阳光充足时会影响，但其传感器角度分辨率高、距离分辨率低。毫米波雷达有很多优点：体积小，重量轻，最大的好处是可测距离远，而且不受雨雪等恶劣天气的影响，抗环

6、境变化能力强，因目标的颜色、材质等不同而引起的反射率变化小，对物体的透过率高，受灰尘、雾和雨的影响小，在各种目标和气候条件下都能比较稳定的进行探测13。缺点是利用车载的小型天线难以进行高精度测量。另外，采用适合于车载的小型天线时，因为不能形成尖锐的射束，所以不能进行高精度测角,一般是不能使用的1。激光具有高亮度、单色性好、方向性好和相干性好等特点,激光波束近似直线,很少扩散,波束能量集中,传输距离远,所以激光常用于测量距离、速度和长度等。在汽车测距系统中，非成像激光雷达同成像式激光雷达相比更具有实用价值,因其具有造价低、速度快、稳定性高等特点,而扫描成像激光雷达普遍存在成像速度过慢的问题,需要

7、进一步改善软、硬件；非扫描成像激光雷达测点数目大大减少,可提高系统三维成像速度。激光测距雷达经过多年的研究和发展,技术上已经有了很大的进步，国内外已经有一些厂家生产相应的产品。但在汽车防撞领域，考虑到运行环境特殊，对气候的适应能力和探测距离的要求，激光测距的应用具有局限性，主要是因为激光测距方式受恶劣天气、汽车震动、反射镜表面磨损和污染等因素影响,使探测距离减少1/21/3，降低了使用精度7。超声波传感器具有成本低廉，采集信息速率快，距离分辨率高，质量轻、体积小，易于装卸等优点。并且超声波传感器在采集环境信息时不存在复杂的图像匹配技术，不需要通过大量的计算而获得距离数据，因此其测距速度快，实时

8、性好。同时超声波传感器不易受到如天气条件，环境光照及障碍物阴影，表面粗造度、裂缝等外界环境条件的影响1。但介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。根据以上各种类型传感器的优缺点分析，因超声波传感器检测迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，我决定采用超声波传感器。2 方案的理论基础在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。以多个传感器组成阵列形式，根据单个传感器扩散角和反射特性，确定合理的密度

9、，来覆盖要求的探测区。超声波传感器有三种测距方法:(1)相位检测法，相位检测法虽然精度高,但检测范围有限。(2)声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响。(3)渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。即利用发射与接收脉冲声波的时间间隔来计算目标物体的距离s, 计算公式为:s= vt/ 2其中: v 为常温下超声波的传播速度；t 为从超声波传感器发射超声波至接收到第一个回波信号所用的时间1。超声波测距常采用脉冲计数方法间接测量时间,超声波测距仪就是

10、利用这种方式来工作的，它一般由超声波发射器、接收器和信号处理装置3大部分组成。工作时,超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲；超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后,也向测量逻辑电路提供一个短脉冲；最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理,自动计算出车辆与障碍物之间的距离7。利用步进电机驱动超声波传感器做扇形扫描，步进电机每转动一个固定的角度，超声波传感器则在此方向上做一次障碍物距离的测量，使得超声波传感器的测量范围扩大了。3 实验方案为了弥补大波束角传感器分辨能力差，和小波束角传感器探测范围不足的缺点，设计中采用了用步进电机驱动单套小波束角传感

11、器，做扇形扫描的方法89。使用步距角为3.6度的步进电机，波束角为3度的超声传感器。在左右180度的范围内扫描，则在每一轮扫描中，电机要步进50步。从起始位置开始，超声传感器总共会在51个角度上进行测距。步进电机每转过一超声波传感器在步进电机的驱动下，以固定的角度3.6度步进转动。每转到一个角度上，测距系统就测取该方向上的障碍物的距离，结合该位置的扫描角度，使系统获得兼有方向和距离的障碍物位置信息810。进而依据连续的障碍物信息，对行驶环境做出准确判断，使得无人驾驶车能自动避开障碍物行驶。3.6度50图1 测距系统探测的角度4因为介质对超声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介

12、质中衰减就越快，所以要用于较大作用距离的测量频率不能太高，选用厚度H=12mm、直径D=90mm的24kHz频率的超声波换能器振子作为较大距离测量元件；而选用H=3mm、直径D=50mm的40kHz频率的超声波换能器振子作为短距离测量的测量元件；将二者结合起来则可实现较大范围的测量，装于步进电机上。2m4m20mabT/RRd图2 合成孔径边界在距离换能器前方2m范围内，阵列主波束的最大测量孔径为： Ds=2tan(1.5o)100.5（m）在距离换能器前方4m处，阵列的合成测量孔径为：DM=4tan(1.5o)60.6(m)在步进电机每转动一步的为之上都存在这样两个测量孔径。因为步进电机18

13、0度的范围内旋转，使得超声波传感器的测量范围较广，所能探测到的障碍物距离比较精准。TR接收回波信号的时间比接收器R延长了t秒，即t（d/c）sin式中，d左、右两超声换能器的中心距；C声波在空气中的速度；左、右两超声波接收器的连线与接收器R中心点到线段b(长声程)的垂线的夹角。两超声换能器接收回波信号延时量t随目标距离(4-25m)变化而变化的曲线，构成了超声换能器阵列的合成测量边界。图2表示区域中超声换能器阵列合成测量孔径的边界，亦即t与目标距离的关系(在此，用半声程时间t表示距离)。010203040506070800.0050.010.0150.020.0250.03t/mst / ms

14、u图3 合成孔径的计算值11应用二次多项式拟合图3所示的曲线，得到如下方程：u=(0.1*x2-3.2*x+52)*10-3式中，u合成测量孔径边界t的上界；x障碍物与换能器之间距离所对应的射程时间TOF的一半，即半声程时间t。接收器R比换能器TR先接收到回波信号，则在图3所示的换能器阵列测量孔径内应满足如下关系:tu障碍物与超声阵列之间的距离按下式估计:D=(a+b)2超声波发射器T与障碍物之间的方位角约为:arcsin(b-a)/d式中，d远远小于a和b11。再结合此时步进电机的扫描角度可以比较精准的判断障碍物相对车的距离和方向。再利用现在已有的技术模糊控制器的模糊控制算法等规划出最优避让

15、轨迹，实现无人驾驶车的避让。4 实验结果及其分析由于现在我的各种知识技术还不足，不能将实验方案实现仿真。希望在知识扩充之后能将其方案实现。5 结论本论文中的理论都来源于我查阅的资料文献，用超声波实现的无人车避让的文献中，各有各的优点。有用步进电机来驱动小波速角的超声波传感器，让传感器随着步进电机能探测到180范围内的障碍物，但由于超声波传感器波速角的存在，使得在某一方向上的旁角边上不能及时探测到障碍物的存在；然而利用不同频率的两组超声波探测器一组用大频率的来量边缘角落的障碍物，而另外一组用小频率的来测量远距离的该方向正前方的障碍物。本文将步进电机的扇形扫描与大小频率超声波传感器结合起来，实现了

16、既能在较宽范围180的障碍物探测也一定程度上克服了因波速角而不能测量的边缘角落地区障碍的不足。致谢经过这些日子的不断努力，这篇论文也形成了。在此论文的写作过程中遇到了很多困难，为了解决这些困难，我请教同学，与同学讨论，也在网上收集了很多资料，最终将这些问题一一解决了。在此我要感谢在此过程中与我交流给我建议、给我帮助的同学，也要感谢老师将论文格式详细的给我们讲解。没有父母在家辛勤的劳动，给我提供经济上和精神上的支持，我是不能完成这篇论文的，所以在此也要感谢我的父母为提供了良好稳定的学习环境。最后要感谢学校给我们提供的数字图书馆，在上面找到很多有用的资料，为我的论文写作提供了大量的信息。没有这样好

17、的学习环境这篇论文是不能完成的，在此表示再次感谢。参考文献：1 唐超群现代物理测试技术M武汉：华中理工大学出版社，2001 年 2 中国机械工程学院无损检测分会超声波检测M北京：机械工业出版社，2000 年3 贺秋丽. 基于激光雷达的智能车辆避撞系统研究. 上海交通大学硕士论文， 2007 年 2 月4 张海鹰. 超声波自主探路车的设计. 青岛科技大学硕士学位论文， 2008年6月10日5 闫晶. 移动机器人避障系统设计. 沈阳理工大学工学硕士学位论文， 2008年1月6 孙慧霞，刘峥. 毫米波调频步进雷达复合测速方法 J.系统工程与电子技术， 33（卷）： 539-542（2011）7 胡瑜. 汽车防撞系统的应用与研究 J.机械工程与自动化，IEEE，161: 214-216（2010）8 付宜利，李寒，徐贺. 方位移动机器人几种转向方式的研究 J，制造业自动化，