CN103913748B - 一种基于多传感器的汽车感知***及感知方法 - Google Patents

一种基于多传感器的汽车感知***及感知方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多传感器的汽车感知***及感知方法，汽车感知***包括设置在汽车车身四个面的多个超声波传感器、微控制单元MCU，设置在汽车车顶的四路伺服舵机和四路一维激光雷达；所述超声波传感器与微控制单元MCU通过I2C总线连接，四路伺服舵机和四路一维激光雷达与微控制单元MCU分别连接，伺服舵机通过转轴和四路一维激光雷达连接。该***通过结合超声波传感器和激光雷达二个优先级别的传感器，采用二级关系保证汽车行驶过程中最大限度保证检测的实时性；通过本***，无需使用三维激光扫描***，具有成本低可靠性好的特点。

Description

一种基于多传感器的汽车感知***及感知方法
技术领域
本发明涉及车辆工程领域，尤其涉及一种基于多传感器的汽车感知***及感知方法。
背景技术
随着社会的发展，交通安全问题越来越凸显，传统的汽车安全理念也在逐渐发生变化，传统的安全理念很被动比如安全带、安全气囊、保险杠等多是些被动的方法并不能有效解决交通事故的发生，随着科技的进步，汽车的安全被细化，目前汽车安全分为主动安全、被动安全两种概念。被动安全技术和主动安全技术是保证汽车乘员安全的重要保障。过去，汽车安全设计主要考虑被动安全***，如设置安全带、安全气囊、保险杠等。现在汽车设计师们更多考虑的则是主动安全设计，使汽车能够主动采取措施，避免事故的发生。在这种汽车上装有汽车规避***，包括装在车身各部位的防撞雷达、多普勒雷达、红外雷达等传感器、盲点探测器等设施，由计算机进行控制。在超车、倒车、换道、大雾、雨天等易发生危险的情况下随时以声、光形式向驾驶员提供汽车周围必要的信息，并可自动采取措施，有效防止事故发生。
在主动安全***所采用的测距防撞传感器中，超声波测距传感器具有低成本，高可靠性等优点，因此受到了广大汽车车主的欢迎，在其用于汽车倒车辅助雷达的产品更是占据了汽车倒车雷达的相当大的一部份市场。 另外，激光测距传感器具有信号集中，测量距离远，测量精度高等优点，目前市场上的车载激光雷达是指载三维激光扫描仪，是一种移动型三维激光扫描***，是目前城市建模的最有效的工具之一。但是这种激光传感器成本高，不具有推广价值，本设计采用低成本的一维激光雷达，扫描频率比较慢，但是通过和超声波传感器阵列和伺服舵机构成二个优先级的感知***能很好避免其弊端。
这种设计需要根据车长、车宽和所能接受的测量盲区范围，确定超声波传感器的个数，超声波传感器个数越多，盲区可以做得越小，超声波传感器实现的近距离方位测量也会越精确，但是会使得超声波阵列的检测周期变长，并不利于障碍物的实时测量。采用测量盲区为30cm进行设计，可以很好地保证测量周期短和方位信息准确；激光雷达选择4路一维激光雷达，利用4路伺服舵机分别控制保证了每个激光雷达能够测量0-90°范围的任意角度的障碍物，通过舵机的PWM值反馈障碍物的角度信息，激光雷达测得值作为距离信息。
本设计技术的难点在于如何通过超声波阵列确定障碍物的方位，在确定了0-7米范围内的障碍物的大致方位后，激光传感器才能最迅速的准确的进行定位和精确的测量；另外，如何将激光雷达和超声波传感器阵列实现方位融合，只有两者方位完全一致，方能在最后显示屏上准确的显示出障碍物的方位。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于多传感器的汽车感知***及感知方法,能准确显示出汽车车身周边障碍物的方位和距离。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于多传感器的汽车感知***，其特征在于，包括设置在汽车车身四个面的多个超声波传感器、微控制单元MCU，设置在汽车车顶的四路伺服舵机和四路一维激光雷达；所述超声波传感器与微控制单元MCU通过I2C总线连接，四路伺服舵机和四路一维激光雷达与微控制单元MCU分别连接，伺服舵机通过转轴和四路一维激光雷达连接。
按上述方案，所述超声波传感器的设置条件为：两个传感器之间最小距离为,车身四个面需要传感器总个数为；其中为超声波传感器的检测盲区, 为超声波传感器的最大检测角，为车宽, 为车长。
上述基于多传感器的汽车感知***的感知方法，包括以下步骤：
（1）根据驾驶车型的体积和所能接受超声波传感器最小的检测盲区确定设置在汽车车身四个面的超声波传感器的个数，并对超声波传感器进行编号；
（2）确定多个超声波传感器组成的超声波传感器阵列的轮询检测的控制策略和控制最小时间周期；
（3）通过超声波阵列所反馈的障碍物距离信息和传感器编号确定障碍物所在的大致方位和距离；
（4）微控制单元MCU根据接收的超声波传感器反馈的方位和距离信息进行计算，根据计算结果控制伺服舵机控制激光雷达进行精确定位；
（5）对激光雷达和超声波传感器阵列返回微控制单元MCU的信息进行比较，若两者返回方位及距离数据相符，则显示扫描信息，否则，通过伺服舵机微调激光雷达扫描角度，转入步骤（4）；
（6）激光雷达在近距离定位完成后在各自0至90°的方位范围内进行逐度扫描，获取远距离障碍物定位信息。
按上述方案，所述步骤(2)中确定轮询检测的控制策略和控制最小时间周期的方法为：
以车体某一面传感器个数为M计算，由于每个超声波传感器具有波束角θ，在传感器能测量的最大半径L米的地方可能有X个传感器的测量区域重叠，那么有M/X个传感器发射和接收超声波信号相互不影响，那么传感器编号为1，X+1，2X+1……的传感器可以同时工作；根据外界条件可以知道声速为V,以最大测量距离可以算出一次测量周期时间长度不短于t=2* R/V=14/V, R为测距范围，通常设为7米；那么车体这一面的传感器全部完成一次发射和接收总时间周期为T=X*t=14X/V。
按上述方案，所述步骤(3)中确定障碍物所在的大致方位和距离的具体步骤为：
传感器进行车身周边障碍物扫描，传感器编号为n，n+1，n+2…n+m （m<X）都得到一个测量距离，其中最小测量距离为Lsmin，则其距车身周边距离为Lsmin，可以通过查表的方式确定此障碍物的方位，所述表的制定按照超声波传感器测量的某一距离和这一距离所覆盖的范围确定。
按上述方案，所述步骤（4）中MCU通过使用数字PID控制方式改变伺服舵机PWM的脉冲宽度比，使伺服舵机迅速精确的摆到相应位置进行测量，使用的数字PID算法：
。
按上述方案，步骤（6）中所述近距离为距车身0至7米范围，远距离为距车身7至60米范围。
本发明产生的有益效果是：
（1）在汽车周身7米范围内的障碍物需要迅速、精确的测量，定义为一级测量区，7米到60米范围内的障碍物可以逐度扫描，定义为二级测量区，本发明方法通过结合二个优先级别的传感器，采用二级关系保证汽车行驶过程中最大限度保证检测的实时性；
（2）通过本发明方法，无需使用三维激光扫描***，具有成本低可靠性好的特点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1 是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于多传感器的汽车感知***，包括设置在汽车车身四个面的多个超声波传感器、微控制单元MCU，设置在汽车车顶的四路伺服舵机和四路一维激光雷达；所述超声波传感器与微控制单元MCU通过I2C总线连接，四路伺服舵机和四路一维激光雷达与微控制单元MCU分别连接，伺服舵机通过转轴和四路一维激光雷达连接。设超声波传感器的检测盲区为,最大检测角为，那么两个传感器之间若要保证最大盲区不大于的最小距离为,设定车宽为,车长为,考虑车身一面需要传感器个数，则四个面需要传感器总个数为。
使用以上基于多传感器的汽车感知***的感知方法，包括以下步骤，方法流程图如图1所示：
（1）根据驾驶车型的体积和所能接受超声波传感器最小的检测盲区确定设置在汽车车身四个面的超声波传感器的个数，并对超声波传感器进行编号；
（2）确定多个超声波传感器组成的超声波传感器阵列的轮询检测的控制策略和控制最小时间周期；
（3）通过超声波阵列所反馈的障碍物距离信息和传感器编号确定障碍物所在的大致方位和距离；传感器进行车身周边障碍物扫描，传感器编号为n，n+1，n+2…n+m （m<X）都得到一个测量距离，其中最小测量距离为Lsmin，则其距车身周边距离为Lsmin，可以通过查表的方式确定此障碍物的方位，所述表的制定按照超声波传感器测量的某一距离和这一距离所覆盖的范围确定。
（4）微控制单元MCU根据接收的超声波传感器反馈的方位和距离信息进行计算，根据计算结果控制伺服舵机控制激光雷达进行精确定位；
得到车身周边超声波传感器返回的障碍物位置信息，由于超声波传感器波束角比较大，定位并不精准，MCU可以调用车顶上激光雷达迅速进行定位，车顶激光雷达为一维点状激光测距雷达，与伺服舵机轴连， MCU通过计算得到障碍物位置在车身一侧以车中心为轴，正前方为正方向的夹角约为处，设置角度偏差对应的占空比值，使用数字PID算法。通过使用数字PID控制方式可以改变PWM的脉冲宽度比使伺服舵机迅速精确的摆到相应位置进行测量。
（5）对激光雷达和超声波传感器阵列返回微控制单元MCU的信息进行比较，若相符，则显示扫描信息，否则，通过伺服舵机微调激光雷达扫描角度，转入步骤（4）；
（6）激光雷达在0至7米范围定位完成后在各自0至90°的方位范围内进行逐度扫描，获取距车身7至60米范围障碍物定位信息。
在汽车周身7米范围内的障碍物需要迅速、精确的测量，定义为一级测量区，7米到60米范围内的障碍物可以逐度扫描，定义为二级测量区，本方法通过结合二个优先级别的传感器，采用二级关系保证汽车行驶过程中最大限度保证检测的实时性。
（7）在得到了需要的距离测量值后，通过显示器显示在以汽车中心为中心坐标，360度范围内，距离60米范围内的实时障碍物距离和方位显示图。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于多传感器的汽车感知***的感知方法，所述汽车感知***包括设置在汽车车身四个面的多个超声波传感器、微控制单元MCU，设置在汽车车顶的四路伺服舵机和四路一维激光雷达；所述超声波传感器与微控制单元MCU通过I2C总线连接，四路伺服舵机和四路一维激光雷达与微控制单元MCU分别连接，伺服舵机通过转轴和四路一维激光雷达连接；其中所述超声波传感器的设置条件为：两个传感器之间最小距离为车身四个面需要传感器总个数为N＝(2(Lw+L1)/Lmin-4)；其中Lun为超声波传感器的检测盲区,θ为超声波传感器的最大检测角，Lw为车宽,L1为车长；
其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据驾驶车型的体积和所能接受超声波传感器最小的检测盲区确定设置在汽车车身四个面的超声波传感器的个数，并对超声波传感器进行编号；
(2)确定多个超声波传感器组成的超声波传感器阵列的轮询检测的控制策略和控制最小时间周期；
(3)通过超声波阵列所反馈的障碍物距离信息和传感器编号确定障碍物所在的大致方位和距离；
(4)微控制单元MCU根据接收的超声波传感器反馈的方位和距离信息进行计算，根据计算结果控制伺服舵机控制激光雷达进行精确定位；
(5)对激光雷达和超声波传感器阵列返回微控制单元MCU的信息进行比较，若两者方位和距离数据相符，则显示扫描信息;否则，通过伺服舵机微调激光雷达扫描角度，转入步骤(4)；
(6)激光雷达在近距离定位完成后在各自0至90°的方位范围内进行逐度扫描，获取远距离障碍物定位信息。
2.根据权利要求1所述的感知方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定轮询检测的控制策略和控制最小时间周期的方法为：
以车体某一面传感器个数为M计算，由于每个超声波传感器具有波束角θ，在传感器能测量的最大半径L米的地方可能有X个传感器的测量区域重叠，那么有M/X个传感器发射和接收超声波信号相互不影响，那么传感器编号为1，X+1，2X+1……的传感器可以同时工作；根据外界条件可以知道声速为V,以最大测量距离可以算出一次测量周期时间长度不短于t＝2*R/V＝14/V,R为测距范围，通常设为7米；那么车体这一面的传感器全部完成一次发射和接收总时间周期为T＝X*t＝14X/V。
3.根据权利要求2所述的感知方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定障碍物所在的大致方位和距离的具体步骤为：
传感器进行车身周边障碍物扫描，传感器编号为n，n+1，n+2…n+m，其中m<X，都得到一个测量距离，其中最小测量距离为Lsmin，则其距车身周边距离为Lsmin，可以通过查表的方式确定此障碍物的方位，所述表的制定按照超声波传感器测量的某一距离和这一距离所覆盖的范围确定。
4.根据权利要求1所述的感知方法，其特征在于，步骤(6)中所述近距离为距车身0至7米范围，远距离为距车身7至60米范围。
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