基于STM32的紅外測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、 PAGE56 / NUMPAGES56基于STM32的紅外測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物體近距離、高精度的無線測(cè)量，本論文對(duì)紅外測(cè)距領(lǐng)域進(jìn)行了研究。本論文采用單片機(jī)作為處理器，編寫A/D轉(zhuǎn)換程序與LCD顯示程序，紅外傳感器作為工作模塊，完成一套高精度顯示、實(shí)時(shí)測(cè)量的紅外測(cè)距系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、測(cè)量精度高、成本低、方便使用。本論文所介紹的是一種基于STM32單片機(jī)并運(yùn)用日本夏普公司型號(hào)為GP2Y0A21的紅外傳感器所設(shè)計(jì)的紅外測(cè)距系統(tǒng)。首先，介紹紅外線與紅外傳感器的分類與應(yīng)用、STM32單片機(jī)的簡(jiǎn)介與功能；其次，闡述紅外測(cè)距系統(tǒng)工作原理與基

2、本結(jié)構(gòu)并對(duì)單片機(jī)、紅外傳感器、LCD液晶顯示屏的工作電路做了介紹；再次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)構(gòu)想，先后對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了調(diào)試。最后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，說明紅外測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性。關(guān)鍵詞紅外測(cè)距；單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；LCDSTM32-based infrared ranging system designAbstractWith the development of modern science and technology, there are many new areas, in order to achieve the object close range

3、, high-precision wireless measurement，this topic of infrared ranging is studied. This topic using SCM as the processor, to write A/D converter and LCD display program, an infrared sensor as a working module, complete set of precision display, real-time measurement of infrared ranging system.This sys

4、tem has the advantages of simple structure, small sizeand high accuracy, low cost and convenient use.This paper introduced is based STM32 microcontroller and use of Japans Sharp Corporation model GP2Y0A21 infrared sensor designed infrared ranging system. Firstly, introduce the classification and app

5、licationof infrared distance measurement，it also introduces the function of STM32 microcontroller. Then illustrate the work theory and basic structure of it and introduce the LCD screen and work circuit. Again, the system has carried on the overall design idea, successively on the system hardware an

6、d software design, and probes into the function of the whole system debugging.Finally, summarize the entire design to illustrate the feasibility of infrared distance measurement.Keywords Infrared range, SCM, A/D converter, LCD目 錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _To

7、c356383533第1章 緒論 PAGEREF _Toc356383533 h 4HYPERLINK l _Toc3563835341.1 課題研究背景與意義 PAGEREF _Toc356383534 h 4HYPERLINK l _Toc3563835351.2 本論文主要研究容 PAGEREF _Toc356383535 h 4HYPERLINK l _Toc356383536第2章 紅外測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc356383536 h 6HYPERLINK l _Toc3563835372.1 紅外測(cè)距系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc356383537 h 6

8、HYPERLINK l _Toc3563835382.1.1 時(shí)間差法測(cè)距原理 PAGEREF _Toc356383538 h 6HYPERLINK l _Toc3563835392.1.2 反射能量法測(cè)距原理 PAGEREF _Toc356383539 h 6HYPERLINK l _Toc3563835402.1.3 相位法測(cè)距原理 PAGEREF _Toc356383540 h 6HYPERLINK l _Toc3563835412.1.4 三角法測(cè)距原理 PAGEREF _Toc356383541 h 7HYPERLINK l _Toc3563835422.2 紅外測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

9、PAGEREF _Toc356383542 h 7HYPERLINK l _Toc3563835432.2.1 紅外傳感器模塊 PAGEREF _Toc356383543 h 8HYPERLINK l _Toc3563835442.2.2 單片機(jī)處理模塊 PAGEREF _Toc356383544 h 9HYPERLINK l _Toc3563835452.2.3 LCD顯示模塊 PAGEREF _Toc356383545 h 16HYPERLINK l _Toc3563835462.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc356383546 h 17HYPERLINK l _Toc356383

10、547第3章 紅外測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與功能調(diào)試 PAGEREF _Toc356383547 h 18HYPERLINK l _Toc3563835483.1 紅外測(cè)距系統(tǒng)工作流程 PAGEREF _Toc356383548 h 18HYPERLINK l _Toc3563835493.2 軟件程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc356383549 h 19HYPERLINK l _Toc3563835503.3 硬件功能調(diào)試 PAGEREF _Toc356383550 h 19HYPERLINK l _Toc3563835513.4 軟件功能調(diào)試 PAGEREF _Toc356383551 h

11、20HYPERLINK l _Toc3563835523.5 測(cè)量數(shù)據(jù)繪圖 PAGEREF _Toc356383552 h 20HYPERLINK l _Toc3563835533.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc356383553 h 23HYPERLINK l _Toc356383554結(jié)論 PAGEREF _Toc356383554 h 25HYPERLINK l _Toc356383555致 PAGEREF _Toc356383555 h 26HYPERLINK l _Toc356383556參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc356383556 h 27HYPERLINK l _

12、Toc356383557附錄A PAGEREF _Toc356383557 h 29HYPERLINK l _Toc356383558附錄B PAGEREF _Toc356383558 h 35HYPERLINK l _Toc356383559附錄C PAGEREF _Toc356383559 h 38緒論課題研究背景與意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在測(cè)距領(lǐng)域也先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距與紅外線測(cè)距等方式。激光測(cè)距是以激光為傳輸信號(hào)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行精確的測(cè)量。激光測(cè)距在工作開始瞬間向物體發(fā)射出一束很細(xì)的激光，并由接受端接收物體反射回來的激光束，同時(shí)計(jì)時(shí)器通過測(cè)定激光束從發(fā)射到接收

13、的時(shí)間進(jìn)而計(jì)算出從測(cè)量者到物體的距離。該方法對(duì)使用環(huán)境要求較高，應(yīng)用圍較少。微波雷達(dá)測(cè)距是軍事和工業(yè)上開發(fā)采用的技術(shù)，其技術(shù)要求嚴(yán)格和設(shè)備價(jià)格非常之高，在民用市場(chǎng)上幾乎得不到應(yīng)用。超聲波測(cè)距原理與激光測(cè)距原理相似，只不過是以聲音為傳輸介質(zhì)，但是此方法靈活性差、組件造價(jià)相對(duì)昂貴，在市場(chǎng)開拓空間并不大。作為一種應(yīng)用廣泛、測(cè)量精度高的測(cè)量方式，紅外測(cè)距利用紅外線傳播時(shí)不擴(kuò)散、折射率小的特性，根據(jù)紅外線從發(fā)射模塊發(fā)出到被物體反射回來被接受模塊接受所需要的時(shí)間，采用相應(yīng)的測(cè)距公式來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體距離的測(cè)量。紅外測(cè)距最早出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，是一種以紅外線作為傳輸介質(zhì)的測(cè)量方法。紅外測(cè)距的研究有著非比尋常的意

14、義，其本身具有其他測(cè)距方式?jīng)]有的特點(diǎn)，技術(shù)難度相對(duì)不大，系統(tǒng)構(gòu)成成本較低、性能良好、使用方便、簡(jiǎn)單，對(duì)各行各業(yè)均有著不可或缺的貢獻(xiàn)，因而其市場(chǎng)需求量更大，發(fā)展空間更廣。紅外測(cè)距儀是指用調(diào)制的紅外光進(jìn)行精密的距離測(cè)量，測(cè)量圍一般為1-5公里，在100米以的圍則超聲波測(cè)距更有優(yōu)勢(shì)，但是超聲波測(cè)距無法檢測(cè)到1米以的區(qū)域距離，而紅外測(cè)距可以精準(zhǔn)的測(cè)出這一段距離，本論文研究的就是這一種情況的紅外線測(cè)距。本論文主要研究容紅外線別名紅外光或者熱輻射線，是一種波長比紅色可見光（約）較長、比微波（約）較短的電磁波。以波長長度為基準(zhǔn)，紅外線可分為三部分，即近紅外線是波長為之間；中紅外線是波長為之間；遠(yuǎn)紅外線是波長

15、為之間。物質(zhì)本身溫度在不低于絕對(duì)零度（-273.15）的情況下均可以產(chǎn)生紅外線。它不能引起人的視覺反應(yīng)，有顯著的熱效應(yīng)（易被物體吸收而轉(zhuǎn)化為能）。能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等光學(xué)現(xiàn)象。不易被云霧等懸浮微粒散射而具有較強(qiáng)的穿透力。憑借著諸多優(yōu)點(diǎn)，紅外線在軍事、人造衛(wèi)星以與工業(yè)、衛(wèi)生、科研等工作領(lǐng)域方面的應(yīng)用日益廣泛，有著不可替代的作用與研究價(jià)值。紅外測(cè)距傳感器是以紅外線為傳輸介質(zhì)的精確測(cè)量系統(tǒng)，主要應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國防軍隊(duì)建設(shè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。按照其功能可以分為五種類型：（1）輻射計(jì)，又稱“發(fā)射計(jì)”，是一種用于電磁輻射和光譜測(cè)量的裝置。（2）搜尋和鎖定系統(tǒng)，具有尋找和鎖定紅外目標(biāo)的功能，

16、確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤。（3）熱成像系統(tǒng)，通過輻射的分布圖像。（4）紅外測(cè)距系統(tǒng)。（5）綜合系統(tǒng)，是集于兩個(gè)或者多個(gè)的系統(tǒng)功能的組合系統(tǒng)。本論文選用的紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A21是由日本夏普公司推出的一款性價(jià)比高、最常用的紅外測(cè)距傳感器，與其前身GP2D12相比，測(cè)量射程一樣，但探測(cè)面積略有增加，可用來對(duì)物體的距離進(jìn)行測(cè)量。具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而且測(cè)量效果好適合在小圍高精度測(cè)量物體的實(shí)時(shí)距離。紅外傳感器GP2Y0A21技術(shù)規(guī)格如表1所示。表1 紅外傳感器GP2Y0A21技術(shù)規(guī)格測(cè)量射程圍10-80cm最大允許角度40電源電壓4.5-5.5V平均功耗33-40mA峰

17、值功耗200mA更新頻率/周期25Hz/40ms模擬輸出噪聲 2; /12位AD轉(zhuǎn)換為10位AD/Distance = (10485/(average_adc + 5) - 4;float_Distance=(1/(adc*(0.0000954)+0.000502)-4; Sum_Distance += float_Distance; if(10 = i)float_Distance = Sum_Distance / 10;Display_Distance(10,1,float_Distance); printf(濾波后的距離%3.2f cmn,float_Distance); Sum_Dis

18、tance = 0.0; i = 0; adc1=(float)adc*3.3/4096);/ printf(rn電壓值= %2.2fVrn,adc1);/printf(當(dāng)前距離 % d CMn,Distance);/ printf(AD轉(zhuǎn)換值 %dn,adc);/ printf(實(shí)時(shí)距離 %3.1f cmn,float_Distance);/Display_Distance(10,1,float_Distance);i+;delay_ms(100); #include ADC.h/* 函數(shù)名:ADC_Config 功能:ADC初始化*/void ADC_Config(void)ADC_Ini

19、tTypeDef ADC_InitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); /打開ADC1時(shí)鐘，打開GPIOC時(shí)鐘GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; /PA7配置成模擬輸入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);ADC_Ini

20、tStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;/獨(dú)立模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE;/連續(xù)多通道模式ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE;/連續(xù)轉(zhuǎn)換ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;/模數(shù)轉(zhuǎn)換由軟件啟動(dòng)ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;/ADC數(shù)據(jù)右對(duì)齊ADC_InitStructu

21、re.ADC_NbrOfChannel=1;/掃描通道數(shù)，從1到16ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_7, 1, ADC_SampleTime_71Cycles5); /通道PA7，采用時(shí)間為55.5周期，1代表規(guī)則通道第一個(gè)ADC_Cmd (ADC1, ENABLE); /使能ADC1 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE); /使能ADC1_7軟件轉(zhuǎn)換開始u16 Get_AD(void) while(!ADC_GetFlagStatu

22、s(ADC1, ADC_FLAG_EOC ); /檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束return ADC_GetConversionValue(ADC1); /返回最近一次ADC1規(guī)則組 的轉(zhuǎn)換結(jié)果#include lcd1602.h#include SYSTICK.h#include GPIO.h#include /*判忙函數(shù)*/u8 LCD_check_busy() /u8 ReadValue; GPIO_Write(GPIOC,0 xFF); RS_CLR; delay_us(1); RW_SET; delay_us(1); do EN_CLR; delay_us(200); EN_SET

23、; delay_us(200); while(GPIOC-IDR&0X80); return (u8)0; /*lcd 寫命令 */void LCD_write_(unsigned char ) /while(LCD_check_busy(); /? EN_CLR; delay_us(1); RS_CLR; delay_us(1); RW_CLR; delay_us(1); GPIO_Write(GPIOC,); delay_us(500); EN_SET; delay_ms(1); EN_CLR; delay_us(100); /*LCD寫數(shù)據(jù)*/void LCD_write_data( c

24、har Data) while(LCD_check_busy(); EN_CLR; delay_us(1); RS_SET; delay_us(1); RW_CLR; delay_us(1); GPIO_Write(GPIOC,Data); delay_us(500); EN_SET; delay_ms(1); EN_CLR; delay_us(100); /*清屏*/void LCD_Clear(void) LCD_write_(0 x01); delay_ms(5); /*lcd 寫字符串*/void LCD_write_string(unsigned char x,unsigned ch

25、ar y, char *s ) if (y = 0) LCD_write_(0 x80+x); else LCD_write_(0 xc0+x); while (*s) LCD_write_data(*s); s+; delay_us(500); /*lcd 寫字符函數(shù)*/void LCD_write_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char data) if (y = 0) LCD_write_(0 x80+x); else LCD_write_(0 xc0+x); LCD_write_data(data); delay_us(50

26、0); /*lcd 初始化*/void LCD_INIT(void) delay_ms(15); LCD_write_(0 x38); delay_ms(5); LCD_write_(0 x38); delay_ms(5); LCD_write_(0 x38); delay_ms(5); LCD_write_(0 x38); delay_ms(5); LCD_write_(0 x08); delay_ms(5); LCD_write_(0 x01); delay_ms(6); LCD_write_(0 x06); delay_ms(5); LCD_write_(0 x0c); delay_ms

27、(5); /* 函數(shù)功能：在指定位置顯示距離* 輸入：坐標(biāo)，距離值*/void Display_Distance(unsigned char x,unsigned char y,float number)char num10; char * st r= num; /為指針分配棧上存空間sprintf(str,%4.2f,number);LCD_write_string(x,y,str);附錄B附錄C文獻(xiàn)翻譯：基于自動(dòng)測(cè)距嵌入式CPU系統(tǒng)的車輛摘要：基于車輛的光機(jī)電自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，在嵌入式CPU的基礎(chǔ)上，本文有一個(gè)關(guān)于汽車測(cè)距系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策的討論和研究。嵌入式系統(tǒng)

28、的解決方案已經(jīng)得到了良好的實(shí)時(shí)性能，它可以促進(jìn)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。本文主要介紹了基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)、硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)和一些其他基于嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的測(cè)距系統(tǒng)等一些缺陷，它還引入了使用兩個(gè)激光雷達(dá)光探測(cè)和測(cè)距方法的解決方案。一、介紹單片機(jī)廣泛用于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。但隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)已經(jīng)不能滿足越來越多的綜合性，多功能化，模塊化的檢測(cè)和控制系統(tǒng)的要求。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了在未來控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。在這里，我們采用了嵌入式的杰出系統(tǒng)之一：Linux。Linux是一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，只滿足嵌入式系統(tǒng)的需求。它包括一個(gè)核和指定的一些系統(tǒng)模塊。小型嵌入式Linux包括三個(gè)

29、基礎(chǔ)元素，包括引導(dǎo)程序，微核，初始化過程。支持Linux的CPU系統(tǒng)包括X86，Alpha，Sparc，Mips，PPC，Arm等。Linux的存儲(chǔ)設(shè)備不是傳統(tǒng)的軟磁盤或硬盤，而是ROM，緊湊型閃存，磁盤上的芯片系統(tǒng)或索尼的記憶芯片。存儲(chǔ)器可以使用通用存儲(chǔ)器或特殊的RAM。相比較其他嵌入式系統(tǒng)，Linux是不僅免費(fèi)的，而且是一個(gè)開源項(xiàng)目。作為一個(gè)可定制的平臺(tái)，Linux應(yīng)該是一種流行的嵌入式產(chǎn)品的系統(tǒng)被應(yīng)用于許多公司?？紤]到Linux是開放性的、良好的支撐網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定安全和其他一些優(yōu)點(diǎn)，我們傾向于采用Linux作為嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)的車輛。因此，本文對(duì)基于Linux系統(tǒng)的車載測(cè)距系統(tǒng)的研究

30、。我們將詳細(xì)分析了硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)。二、基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)道路車輛的不斷增加，交通事故也日益增多。作為保護(hù)車輛運(yùn)行的安全性的有效手段，車輛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策的自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸發(fā)展起來。該系統(tǒng)是一種檢測(cè)裝置，它可以在碰撞發(fā)生之前給司機(jī)發(fā)出音頻或視覺警告信號(hào)。它安裝在車，并與時(shí)檢測(cè)障礙物和車輛，并且當(dāng)之間的距離必要時(shí)，發(fā)送警告信號(hào)讓司機(jī)采取為應(yīng)對(duì)特殊情況的應(yīng)急措施，如果必要的話，開始自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)或觸發(fā)器應(yīng)急系統(tǒng)，以避免事故的發(fā)生。該系統(tǒng)的核心是迅速和準(zhǔn)確地測(cè)量出車輛與障礙物之間的距離，并與時(shí)發(fā)送警告信號(hào)。如果一個(gè)自動(dòng)制動(dòng)剎車系統(tǒng)或一個(gè)安裝氣囊安全系統(tǒng)，它也可以自動(dòng)

31、處理高風(fēng)險(xiǎn)緊急 1,2,3?；趥鹘y(tǒng)的單片機(jī)測(cè)距系統(tǒng)被示為圖1，它被脈沖觸發(fā)并有激光頭發(fā)出檢測(cè)的光束，并且通過獲得的反射光線和距離計(jì)算公式來實(shí)現(xiàn)。它可以完成的計(jì)算，但它也有一些缺陷，它很容易被外部噪聲干擾。并且單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力較弱，脈沖頻率受限制。因此，如果車輛在非常高的速度運(yùn)行時(shí)，基于單片機(jī)測(cè)距系統(tǒng)可能過載并進(jìn)行了錯(cuò)誤的計(jì)算將其引導(dǎo)到一個(gè)錯(cuò)誤的決定，這當(dāng)車輛在高速運(yùn)行時(shí)是很危險(xiǎn)的。所以現(xiàn)在我們對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)的車輛進(jìn)行探討和研究。該系統(tǒng)是建立在MPC5200嵌入式微處理器，采用光機(jī)電一體化技術(shù)。首先介紹了車輛的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策的自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)的工作原理。其次對(duì)它的實(shí)用系統(tǒng)組成進(jìn)行了分

32、析。最后，提供了一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。三、主要工作原理A、嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)車輛的自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)主要由微處理器、功率組件、前探測(cè)器（左和右）、背面探測(cè)器（左和右）、警報(bào)部件和GUI界面。該體系結(jié)構(gòu)示于圖2。該控制模塊由嵌入式微處理器子系統(tǒng)、電源部件、報(bào)警部件和GUI模塊，它安裝在轉(zhuǎn)向室的儀器板的；兩個(gè)前探測(cè)器安裝在后視鏡中的操舵室的左，右兩側(cè)的背面；兩到四組探測(cè)器安裝在汽車外側(cè)與汽車的底部；主要控制模塊，前端檢測(cè)器和背面探測(cè)器與長線驅(qū)動(dòng)器4,5,6相連。B、光機(jī)電一體化系統(tǒng)的工作原理前面和后面的檢測(cè)器可用于測(cè)量發(fā)射脈沖到達(dá)障礙物并返回到控制模塊的間隔。區(qū)別在于前面探測(cè)器發(fā)送時(shí)間間隔

33、被嵌入式微處理器得到，而后面檢測(cè)器發(fā)送時(shí)間間隔由一個(gè)HIS/ HSO接口得到。該控制模塊將根據(jù)間隔和距離確定危險(xiǎn)水平，如果結(jié)果是在安全極限時(shí)，警報(bào)或安全保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)。由前、后、左、右探測(cè)器得到不同的報(bào)警方式和處理方法用于處理不同的情況。當(dāng)該距離小于預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)距離小于所述高風(fēng)險(xiǎn)值，在系統(tǒng)啟動(dòng)的安全防護(hù)裝置7,8,9。四、激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)A、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域，測(cè)距技術(shù)包括超聲波測(cè)距，激光雷達(dá)測(cè)距波，紅外線測(cè)距系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)距技術(shù)?？紤]到精度和穩(wěn)定性，我們采用激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)，并使用激光雷達(dá)作為實(shí)際測(cè)距成分10,11。實(shí)際工作系統(tǒng)包括激光測(cè)距激光雷、CPU、正

34、面和背面環(huán)境檢測(cè)激光雷達(dá)、液晶顯示器、發(fā)送端和接端、車速傳感器等，其工作原理如圖3所示。測(cè)距和速度檢測(cè)激光雷達(dá)安裝在車輛的前部。系統(tǒng)編碼和調(diào)制從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖。激光雷達(dá)天線發(fā)射激光到障礙物或汽車，并接收由激光雷達(dá)的反射信號(hào)，則控制模塊將信號(hào)解調(diào)得到的距離和方位。通過控制模塊不斷分析距離和方位數(shù)據(jù)，可以判斷對(duì)象是否移動(dòng)和移動(dòng)物體的速度和距離還有風(fēng)險(xiǎn)水平，如果可能與對(duì)象發(fā)生碰撞，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，調(diào)整汽車的速度和行駛方向。該系統(tǒng)通過使用光切片法得到目標(biāo)的距離。該系統(tǒng)包括一個(gè)CCD攝像機(jī)和激光裝置。相機(jī)設(shè)置為一個(gè)固定的姿態(tài)和距離的激光設(shè)備。相機(jī)設(shè)置為一個(gè)固定的姿態(tài)和距離與激光裝置之間。目標(biāo)

35、上的投影線由CCD照相機(jī)觀察到。通過三角測(cè)量使用檢測(cè)到的線得到的車輛的相對(duì)位置。該系統(tǒng)的分辨率取決于攝像機(jī)的分辨率的配置。B、硬件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)架構(gòu)：在的實(shí)際的硬件系統(tǒng)構(gòu)成，嵌入式微處理器型號(hào)是MPC5200。飛思卡爾的高度集成，高性價(jià)比的MPC5200非常適合于網(wǎng)絡(luò)，媒體，工業(yè)控制和汽車應(yīng)用。它提供760 MIPS與浮點(diǎn)單元（FPU），硬件存管理單元（MMU）用于快速切換任務(wù)，多個(gè)I/O口，以與工作在一個(gè)功耗比的情況下。 MPC5200服務(wù)運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)媒體網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)訪問存儲(chǔ)、機(jī)頂盒、音頻自動(dòng)點(diǎn)唱汽車、互聯(lián)網(wǎng)接入、工業(yè)自動(dòng)化、圖像檢測(cè)/分析和電子/醫(yī)療器械市場(chǎng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）12,13和開

36、發(fā)板與板級(jí)支持包（BSP）的可靠選擇為用戶提供了一個(gè)完整而靈活的解決方案。圖4是實(shí)用的硬件結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光雷達(dá)光學(xué)天線的反射信號(hào)被接收，編碼、調(diào)制和解調(diào)之后，它被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，可以容易地被處理，并且該電壓信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，并通過I/O口發(fā)送到MPC5200。以同樣的方式，從正面，背面，側(cè)面環(huán)境條件探測(cè)器從不同方向獲得的信息，并且將它們通過I/O電路發(fā)送到MPC5200處理。MPC5200與PCI顯示模塊或LCD連接，該信息可以通過液晶顯示由交互式操作來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到磁盤、主控制模塊在測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)，然后發(fā)送報(bào)警信號(hào)，調(diào)整運(yùn)行速度并緊急制動(dòng)、彈出氣囊或做一些其他的相關(guān)安全措施。一個(gè)典型的

37、激光雷達(dá)的框圖描述在圖5中。所有組件必須是低成本項(xiàng)目，事實(shí)上，許多設(shè)計(jì)決策驅(qū)動(dòng)。壓控振蕩器（VCO）通常用于調(diào)制的輸出通過耿氏二極管發(fā)射器，一般消耗1-10毫瓦的電力。信號(hào)然后通過循環(huán)到天線。接收到的信號(hào)通過循環(huán)和混合到基帶（通常在擴(kuò)增前）、放大、濾波、數(shù)字化后發(fā)送到信號(hào)處理器和威脅評(píng)估處理器。該信號(hào)被直接混合到基帶而不是更吸引人中頻（IF）在為了最大限度地減少硬件和成本。目前大部分激光雷達(dá)工作正在集中76-77 GHz頻段，有以下一些原因：（1）這個(gè)頻段很少被使用，相對(duì)于更多使用的60 GHz和94 GHz頻帶，（2）歐洲已經(jīng)選擇了這個(gè)頻段是其整車激光雷達(dá)波段，（3）射頻組件技術(shù)迅速成熟，（

38、4）窄波束寬度是由一個(gè)合理的孔徑尺寸實(shí)現(xiàn)的。此外，聯(lián)邦通信委員會(huì)最近批準(zhǔn)了76-77 GHz頻段（以與其他頻段）在美國經(jīng)營的汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)。2、信號(hào)處理：對(duì)于一個(gè)假想的激光雷達(dá)的信號(hào)處理流程示于圖6。信號(hào)處理器的主要功能是檢測(cè)并跟蹤傳感器探測(cè)的對(duì)象。數(shù)字化數(shù)據(jù)是從每個(gè)接收到的脈沖經(jīng)由一維快速傅里葉變換，所致該天線波束寬度的信息進(jìn)行處理。小數(shù)量的連續(xù)型能量被集成，以提高信噪比。個(gè)別圍段進(jìn)行比較的閾值，并與任何超過閾值能量的對(duì)象處理進(jìn)一步確定圍和相對(duì)速度。這些輸出，連同有關(guān)方位角位置（天線角度）都用于初始化或更新對(duì)象軌跡文件。跟蹤文件的輸出傳遞到威脅評(píng)估處理器，它決定了AICC（自主智能巡航控制

39、）或函數(shù)FCW（前部碰撞警告）在適當(dāng)時(shí)候的反應(yīng)。3、使用兩個(gè)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)：假設(shè)前方5米有一個(gè)車輛。激光可能會(huì)打到車輛的后方反射器。在這種情況下，激光雷達(dá)不能檢測(cè)車輛因?yàn)榧す馐荒軗糁幸粋€(gè)反射器，重要信息可能會(huì)丟失。為了避免這種情況，使用兩個(gè)激光雷達(dá)。一個(gè)雷達(dá)的例子和兩個(gè)雷達(dá)配置如圖7所示。典型車輛寬度假設(shè)為1.5米分開放在試驗(yàn)車的前保險(xiǎn)杠上。暗區(qū)代表目標(biāo)車輛，其激光雷達(dá)來檢測(cè)尾燈的中心位置。白色區(qū)域表示盲區(qū)14,15,16。通過使用兩個(gè)激光雷達(dá)，盲點(diǎn)區(qū)域是顯著減少，并且可檢測(cè)的目標(biāo)區(qū)域變得更寬。注意，在激光雷達(dá)探測(cè)最重要的區(qū)域時(shí)，試驗(yàn)車正前方就是一個(gè)被遮蔽的盲點(diǎn)。利用兩個(gè)激光雷達(dá)在交通監(jiān)控系

40、統(tǒng)中，三個(gè)有問題必須克服：（P1）因?yàn)楣馐a(chǎn)生許多重疊區(qū)域，確定的目標(biāo)車輛位置是非常困難的。無論怎樣，我們必須揣度這束光束檢測(cè)一樣的車輛。這個(gè)問題適合于某種集群技術(shù)。如果多個(gè)波束探測(cè)同一輛車，它們的輸出會(huì)表現(xiàn)出一樣的動(dòng)態(tài)行為。因此，該技術(shù)必須使用這些動(dòng)態(tài)，有效地辨別汽車。如何從所有六個(gè)波束的信息融合到業(yè)務(wù)活動(dòng)的連貫的畫面？（P2）該雷達(dá)系統(tǒng)具有較高的縱向分辨率，但較低的角分辨率，因?yàn)檫@里只有六個(gè)橫梁。因此，橫向尺寸應(yīng)比長縱向尺寸。如何解決這個(gè)問題？（P3）常規(guī)的方法是不穩(wěn)定的，因?yàn)樗鼈儾荒軝z測(cè)虛假估計(jì)。為了構(gòu)建一個(gè)更強(qiáng)大的系統(tǒng)，應(yīng)該如何檢測(cè)錯(cuò)誤的估計(jì)17？C、軟件設(shè)計(jì)（1）軟件的流程圖：當(dāng)通過

41、光學(xué)天線發(fā)送的激光束遇到的障礙，它被反射和散射。并該光學(xué)天線接收反射信號(hào)。它是由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。不斷有距離和方位計(jì)算后的信息由CPU進(jìn)行辨析來測(cè)試汽車的速度在安全圍。如果計(jì)算出的值小于上限，則系統(tǒng)采用了相應(yīng)措施。圖8是系統(tǒng)功能模塊的流程圖。（2）預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)水平的確定：目標(biāo)速度信息可直接從相位測(cè)量或間接通過速度圍的測(cè)定。激光雷達(dá)通過多普勒濾波器的反饋信息對(duì)對(duì)象進(jìn)行直接相位測(cè)量。多普勒濾波器寬度決定了速度分辨率。為達(dá)到76-77千兆赫頻帶、徑向（視線的）1.0米/秒的速度、510赫茲多普勒頻移。因此，相對(duì)短的積分時(shí)間導(dǎo)致精細(xì)速度分辨率18,19。對(duì)于FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）利用一個(gè)上升斜

42、坡和下降斜坡的波形，事實(shí)上，多普勒頻移，可以明確地通過取一半的兩個(gè)斜坡的頻移差而確定的。短脈沖波形的脈沖重復(fù)率名義上無疑是足夠高的多普勒頻譜，單斜率FMCW波形通常是多普勒的自脈沖重復(fù)率，實(shí)際上，一個(gè)靜止的物體多普勒可以大于15KHZ。通常情況下，為了保持傳感器數(shù)據(jù)速率是可控的，PRF是保持在低于奈奎斯特采樣速率，因此這種不確定的結(jié)果要通過多普勒測(cè)速進(jìn)行過濾（2kHz的PRF會(huì)導(dǎo)致4米/秒速度誤差）。解決歧義的一種方法是掃描速率圍信息、距離變化信息。由于方位變化分辨率和掃描更新速率受限制，提供的不詳細(xì)速度信息（幾米每秒）足夠解決速度歧義20。通過結(jié)合距離變化率信息和精細(xì)多普勒分辨率，可以明確地

43、測(cè)量物體的速度。當(dāng)然其他的技術(shù)對(duì)物體速度的明確的量也是可能的。如果對(duì)象速度不通過分辨率確定的，如前面提到的，那么精度的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)象速度可以通過測(cè)量返回信號(hào)上的脈沖到脈沖的相對(duì)相移來確定。這是一種高精度的測(cè)量（不是分辨率），因此僅適用于具有高的SBR的圍角度小區(qū)的單個(gè)對(duì)象。再次，通過組合圍速率的信息和對(duì)相位速度測(cè)量，人們可以清楚地測(cè)量物體的速度。為了避免危險(xiǎn)發(fā)生，重要的的是得到相對(duì)速度和障礙物與車輛最近的距離，預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)確定的條件是：R，S*，T，Tlim。在該表達(dá)式中，R是兩個(gè)對(duì)象之間的實(shí)際距離; S *是臨界安全距離;T是駕駛員的反應(yīng)時(shí)間;TLIM是的最小時(shí)間，這意味著至少一次的警報(bào)系統(tǒng)沒有啟動(dòng)的極限。在S*，Tlim由以下表達(dá)式確定：，在該表達(dá)式中，Us是在車的速度；是兩個(gè)對(duì)象的相對(duì)速度；是前方車輛的減速度; 是自身的標(biāo)準(zhǔn)減速。測(cè)距和速度測(cè)量公式如下：，該式中，c是激光速度，是最大調(diào)制頻率，是調(diào)制波的重復(fù)頻率，是信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)，正調(diào)制信號(hào)的差分頻率，是信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)，負(fù)調(diào)制信號(hào)的差分頻率，是發(fā)射中心頻率。從上述情況，可以得出結(jié)論，該軟件的功能是檢測(cè)到、和我們給出的、R、S*，并與之比較。然后確定計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)水平，也就是確定是否為安全距離，是否發(fā)送預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)警報(bào)信號(hào)，使得自身的速度和兩車之間的距離一直保持在安全條件下。5、結(jié)論與展