基于STM32的紅外測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文--#-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)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)內(nèi)核和指定的一些系統(tǒng)模塊。小型嵌入式Linux包括三個(gè)基礎(chǔ)元素，包括引導(dǎo)程序，微內(nèi)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。內(nèi)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。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)。它安裝在車內(nèi)，并及時(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，并及時(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)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)及汽車的底部；主要控制模塊，前端檢測(cè)器和背面探測(cè)器與長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器［4,5,6］相連。

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nikiojMoc^MQrAlert|.|fioiwwrlcIbiutingBackdececLorfleri)Backdeteciortright)AiaIouwu^也modi刃曲轉(zhuǎn)盯氷mif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BackdececLorfleri)Backdeteciortright)AiaIouwu^也modi刃曲轉(zhuǎn)盯氷mif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RkIucumiiqriiJadjuiLidsvkeRcnccni^iniiwr-LjsctFr&nlcar、…一,f"iRFiAeelinm■■觸OrFigure.3WorkingprincipleoftheLiser-lidarRangingSystem-示。CntYini]mndufc—|Aukkiy'^bik||一》autnpilaE〔丨II1!!riLfmie.2Th?MrchiteLtureafth=^utuiTiHtiGrangingsystem.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)。考慮到精度和穩(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

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)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760MIPS與浮點(diǎn)單元（FPU），硬件內(nèi)存管理單元（MMU）用于快速切換任務(wù)，多個(gè)I/O口，以及工作在一個(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。ajHcjjiiiaSpeedsensors」魚二二PC-U咅-￡旨=■4ajHcjjiiiaSpeedsensors」魚二二PC-U咅-￡旨=■4運(yùn)￡<l-'wntrw?tbnk眄誠(chéng)刑11切蝕EnditWirE<kieciiofiradnrmaAmcu直\芒：s|x：liIcuitIiuLeaiRrrgciicybiakc.deiLbiw.with21puritygsasb-ag.ticFigure.斗HardwarestiLittLire.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)工作正在集中內(nèi)76-77GHz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60GHz和94GHz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，（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76-77GHz頻段（以及其他頻段）在美國(guó)經(jīng)營(yíng)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內(nèi)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)別范圍段進(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)一步確定范圍和相對(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）或函數(shù)FCW（前部碰撞警告）在適當(dāng)時(shí)候的反應(yīng)。

FEJ.PM注ImcgmliiDn畑評(píng)a.TJctcrminnlinn°FEJ.PM注ImcgmliiDn畑評(píng)a.TJctcrminnlinn°ruricnniiii^li?TlircolFT*嚇叫啰I*rnictisny)1'■~TT"——*7<fhllcBTnictislty)Am.An^k-Figure.6SignalProcessorFlowDiagram3、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?/p>

光束不能擊中一個(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］。Figure.7AdvantagesofUsingTivcLidars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)相同的車輛。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)出相同的動(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(zhǎng)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范圍。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)量或間接通過速度范圍的測(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范圍信息、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的范圍角度小區(qū)內(nèi)的單個(gè)對(duì)象。再次，通過組合范圍速率的信息和對(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