基于激光测距技术的汽车倒车控制系统研究
针对常规的汽车倒车控制系统中测试精度不足的问题,设计基于激光测距传感器技术的汽车倒车控制系统。在原有系统硬件的基础上,引用激光器,设计相应的激光发射电路和激光接收电路,通过激光测试的距离感知汽车倒车的周围环境,在硬件设计完成的基础上,制定控制规则,以此为依据,采用模糊控制法实现汽车倒车控制。测试结果表明:与常规的汽车倒车控制系统相比,设计的基于激光测距技术的汽车倒车控制系统测试精度更高,该系统优于常规的倒车控制系统.
1 引言
汽车是目前运输和交通的主要工具,是当今社会不可缺少的工具之一,然而,随着汽车数量的不断增加,公路、街道等地方过于拥挤,汽车可转动的空间较少;而且新司机和非专职司机越来越多,在驾驶过程中由于碰撞引起的纠纷和交通事故越来越多m 。据相关统计,每年全国发生的道路交通事故呈逐年增长的趋势,造成了大量人员伤亡和经济损失。造成交通事故发生的起因有三种,分别是超速、超员和违规驾驶,以上三种起因都会导致汽车碰撞发生,可见碰撞是交通事故的主要表现形式。碰撞分为车与车的碰撞和车与人的碰撞,避免这种碰撞才能有效地保证汽车安全。
在汽车驾驶过程中容易发生碰撞的时候就是汽车倒车,倒车时,由于车内存在的A 柱、B 柱和C 柱以及后方座椅等遮挡,造成驾驶员不能正常的判断周围的环境,极易发生交通事故。对于此类情况,人们发明了汽车倒车控制系统来辅助汽车倒车,常规的控制系统有基于超声波雷达的倒车控制系统,基于视频倒车影像雷达的控制系统以及基于视觉传感器技术的倒车控制系统。以上系统都是根据多年经验逐渐发展优化出来的,但是已经不能满足现今的需求,存在测试精度不足的问题,为此设计基于激光测距技术的汽车倒车控制系统,利用激光测距单色性好、方向强等特点,提高测量精度。
2 汽车倒车控制系统硬件设计
基于激光测距技术的汽车倒车控制系统中,硬件设计的主控模块继承原有的FPG A主控芯片,使用FPGA核心板,引出该芯片的全部管脚,引用激光器,设计激光发射电路和激光接收电路,通过激光测距技术感知汽车倒车周围环境。
2. 1 激光发射电路设计
激光通过激光器发射产生,综合人身安全和影响激光测距的因素两方面考虑,选择SP L L L 系列的L L 9 0 激光发射器。L L 9 0 是混合式激光模块,具有低功耗的特点,为脉冲控制提供场效应管和电容,内部采用高功率大光腔激光结构,其中包含2 个电容和一个M 0 S F E T ,其作用是用来作为驱动模块,2 个大小为4 7 n f 的电容并联,激光发射点的直径为200 (xm * 2 pm,反射波长为9 0 5 n m ,峰值功率为25 W 。其高速操作时间<3 0 n s ,低电压驱动小于2 0 V。将M0 SFET的V, 和\ 管脚接入2 个D C 电压,由电流决定分压电阻的大小,通过以上设置获得短的光学脉冲。当电流发生大的改变时,在电源与芯片管脚接一个1 0 欧的小电阻或者磁珠,通过退藕装置控制过压延时;由于内在电流高于峰值电流导致驱动部分的供电电压不足,出现驱动不足的情况,将驱动电压设置为0-5 V 之间,最小的上升和下降时间为200 ms。连接主控芯片的扩展口,1 号管脚接地,2 号管脚是由主控芯片送出的T T L电平,3 号管脚提供驱动电压,通过以上连接驱动激光器工作。该电路整体工作是:J 1 扩展口的2 号管脚接收脉冲驱动信号,驱动EL7104C 芯片产生一个驱动激光发射器的驱动信号,控制激光发射器发出激光脉冲。为了防止CMOS锁存,采用两个肖特基二极管D, 和0 2,同时为了防止过压延时,将C5 设置在靠近电源管脚处。
2 . 2 激光接收电路设计
激光接收电路中使用的激光接收芯片为C 3 0 7 3 7 ,该芯片具有低功耗的特点,反映区域在0.23 mm ~ 0 . 5 m m 之间,在低偏压的情况下具有较高的增益,并且提供了对4 0 0 nm ~ 1 0 0 0 r i m 的激光髙灵敏响应,同时提供在上升和下降时间,提供了 1 .2 G Hz的响应频率激光接收电路的作用是将获取的光信号转换为电信号,若电信号较微弱,通过放大电路将其放大,利用数模转换装置将电信号转换为模拟信号,传送至主控模块,计算激光从发射到接收的距离。普通的激光接收器对信号的放大不够,导致测试精度不足,因此要采用后继的放大电路。J 1 口是与主控芯片相连的扩展口,1 号管脚连接5 V 电压,驱动C30707芯片,为了加强探测器对微弱信号的探测能力,在C3 0707芯片的基础上,采用一个负电压产生芯片,通过电压给光电探测器加上恒定的直流负偏压,实现提高探测能力,负电压产生器的引用是为了将5 V 电压转换为-2. 5 V 电压。放大后的信号在0 UTC管脚输出到C0 N2 接口的3 号管脚,此管脚通过主控芯片接到FPGA的内部采样管脚上,默认T T L电平为高电平,在管脚周围加上滤波电容,防止存在噪声等因素干扰信号。
3 汽车倒车控制系统软件设计
3. 1 制定控制规则
在通过激光测距技术采集到的已知倒车环境中,汽车能够找到无数条倒车轨迹,而轨迹的形成与汽车的前轮转角和瞬时速度相关,也就是轨迹相对应的控制组合(^ ,/〇。考虑驾驶员实际倒车情况和汽车外轮廓的长度和宽度,将路面的下沿设计为* 轴,汽车的中线作为y 轴,坐标原点为两者之间的交点。采用模糊控制法来控制汽车倒车。模糊处理输入的控制量,根据模糊后依然清晰的控制量确定控制规则。
3 . 2 汽车倒车控制的实现
根据汽车倒车的四个阶段,将倒车环境分为四个相继的环形邻域,规定倒车轨迹一定在环形邻域内。由车辆动力学模型分析可知,每个环形的中心是相同的,并且与汽车的前轮转角和瞬时速度(a ,k )相关,将以上四个邻域拼接在一起,形成一个完整的倒车邻域。
4 汽车倒车控制系统仿真实验
4. 1 搭建实验平台
汽车倒车控制系统测试采用嵌入式Linux系统,该系统是目使用比较广泛的操作系统,具有开源和模块化编译的优点,针对测试环境的特点,对Linux的内核进行裁剪和重新编译,包含Linux系统中基本和常用的API,保留该系统原有的网络功能。测试中选择的是Linux3. 14. 2 8 内核版本,该版本的Linux系统具有支持多CPU和多线程的优点。嵌人式系统Linux的内核、A P I库函数及驱动程序的编译需要在Linux操作系统中编译,但是该系统中的编译器不支持特定的指令的编译,因此在实际系统测试中,建立交叉编译器来支持控制相关指令编译。选择的交叉编译器版本为GCC-4.9.3。
4 . 2 实验结果及分析
测距实验的主要目的是测试汽车倒车控制系统的测试精度,实验选择大小为1〇〇 cmxlOO cm 的塑料成像系统作为探测目标,目标与地面垂直,并且正对着扫描振镜。复位系统电机驱动信号,使激光器发射激光,经过扫描振镜反射后,发射激光方向与地面平行且垂直向前,通过移动探测目标改变实验距离。为了避免移动探测目标影响测距精度,实验采用固定距离连续测量模式,将被测目标位置放置在1〇 m实验。以10 m 为标准,基于超声波雷达的控制系统实验结果显示,整体波动较大,大部分数据点都游离在标准线外,最远达到10. 2 米,最近达到9. 7 7 米,存在一定的偏差;基于视频倒车影像雷达的控制系统实验结果显示, 5 0 个数据取样点整体在9.4 ~ 1 0 . 1之间游离,整体趋势偏向1 0 米以内,存在过多的数据取样点在1〇米以内,同样存在偏差;基于视觉传感器技术的控制系统测试结果与上一个结果相反,数据取样点整体在9. 9 - 1 0 . 5 之间,整体趋势偏大,存在偏差;设计的基于激光测距技术的汽车倒车控制系统测试结果显示,5 0 个数据取样点范围在9. 9 ~ 10. 1 之间,整体变化趋势较稳定,出现的细微偏差属于可调整范围内。综合以上分析结果得出,设计的汽车倒车控制系统测距精度更好,便于控制系统更好地控制汽车倒车。
5 结束语
目前汽车的使用率和普及率较高,驾驶员的驾驶汽车的水平参差不齐,存在一定的安全隐患,希望通过相应的技术避免安全隐患的发生。设计基于激光测距技术的汽车倒车控制系统,在原有硬件的基础上,引用激光器,设计相应的激光发射和接收电路,利用激光自身的优点感知汽车倒车周围环境,了解与障碍物之间的距离,通过模糊控制法制定控制规则,实现汽车倒车的控制,保证汽车倒车的安全,避免事故发生。