黃連麗，周奎，朱賢成

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）

隨著汽車在日常生活中的普及，汽車的安全性也得到了人們的重視，特別是交通事故對人們造成的影響，使得汽車安全技術(shù)發(fā)展極為迅速。大量數(shù)據(jù)顯示，汽車交通事故中大多數(shù)是由于司機的反應(yīng)不及所引起的，其中又以追尾事故的車輛相撞為主。歐洲的一項研究表明：駕駛員只要在碰撞危險的0.5 s 之前得到“預(yù)警”，就可以避免至少60%的追尾撞車事故，30%的迎面撞車事故，50%的路面相關(guān)事故；若有1 s的“預(yù)警”時間，則可避免90%的事故發(fā)生[1]。奔馳公司也對各類交通事故的研究表明，若駕駛員能夠提早1～2 s 意識到有事故危險并采取相應(yīng)的正確措施，則絕大多數(shù)交通事故都是可以避免的[2]。

因此，研究汽車主動防撞系統(tǒng)來降低交通事故的發(fā)生率，意義重大。而如何測量與采集車與目標之間的距離是汽車主動防撞系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對汽車主動防撞系統(tǒng)的幾種主流測距方法的性能比較，綜合經(jīng)濟條件、實驗室條件、所測距離以及各種測距方法的優(yōu)缺點，選擇激光雷達測距方法。

1 激光測距雷達

激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進探測設(shè)備。激光雷達由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等；接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等[3]。

激光雷達用激光器作為發(fā)射光源，是采用光電探測技術(shù)手段的主動遙感設(shè)備。激光測量系統(tǒng)基本原理為由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一激光信號，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量2個或多個距離，并計算其變化率而求得速度[4]。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測試

2.1 系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)據(jù)簡介

采用德國SICK 公司的LMS221型激光雷達，其數(shù)據(jù)格式和傳統(tǒng)的串口一樣，每字節(jié)10位，包含1位開始位、8位數(shù)據(jù)位和1位結(jié)束位。激光雷達的報文結(jié)構(gòu)如表1所示。STX 即報文頭，占用8位的1個字節(jié)，以02H 開頭；Adress為目標地址，占用8位的1個字節(jié)，地址為用戶地址，這些地址可以在各個測量設(shè)備的端口應(yīng)用；Length 即不包含校驗和的序列字節(jié)長度，占用2個字節(jié)；Command/Response 即發(fā)送命令或是回復(fù)命令，占用1個字節(jié)；Data為發(fā)送報文的數(shù)據(jù)部分，占用N*8個字節(jié)；Checksum為對整幀數(shù)據(jù)，從STX到狀態(tài)標記字節(jié)的CRC校驗，占用戶2個字節(jié)。

激光雷達的主要相關(guān)參數(shù)主要有測量距離、分辨率、角度分辨率、掃描頻率和掃描角度等。LMS221型激光雷達的測量距離范圍最大為80 m，測量距離分辨率為10 mm。其測量結(jié)果主要由2個字節(jié)的數(shù)據(jù)表示，高低字節(jié)值相加得到測量點的距離值，該結(jié)果乘以設(shè)定的分辨率就是目標到雷達的徑向距離。

表1 LMS2XX激光雷達報文格式

2.2 主要技術(shù)及算法

1）用MSComm控件實現(xiàn)微機串口的數(shù)據(jù)通訊

MSComm 控件是Microsoft 提供的簡化Windows 下串行通信編程的ActiveX 控件，“隱藏”了大部分串口通訊的底層運行過程和許多煩瑣的處理過程，同時支持查詢方法和事件驅(qū)動的機制，事件驅(qū)動通訊是交互方式處理串口事務(wù)的一種非常有效的方法，特別適合Windows 程序的編寫。在串口通訊過程中，當發(fā)送數(shù)據(jù)、收到數(shù)據(jù)或產(chǎn)生傳輸錯誤時，觸發(fā)MSComm 控件的OnComm 事件，然后可以通過判斷CommEvent 屬性值獲得事件類型，再根據(jù)事件類型進行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。因此用其實現(xiàn)微機串口的數(shù)據(jù)通訊可以用較少的程序代碼輕松實現(xiàn)串口的訪問和數(shù)據(jù)通訊。

2）采用MSComm事件驅(qū)動方式采集數(shù)據(jù)

MSComm 串口控件數(shù)據(jù)接收方式有2種：a.在MSComm 事件中接收數(shù)據(jù)。這種方式能充分MSComm 控件的特性。OnComm 事件還可以檢查和處理通訊錯誤；可以通過檢查CommEvent 屬性的值來查詢事件和錯誤。對于不定長數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)進行處理比較復(fù)雜的情況，此法不是很方便。b.定時器輪循法采集數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)包方式收發(fā)數(shù)據(jù)以及不需實時響應(yīng)情況，用輪循法更好些。實際上輪循法最大的好處在于集中處理數(shù)據(jù)而且不太占用CPU。輪循法要注意定時采集的時間片段大小，這里用二進制收發(fā)模式，使屬性RThreshold，SThreshold為0，屏蔽OnComm事件。

本實時數(shù)據(jù)采集處理程序采用MSComm 事件驅(qū)動方式。MSComm_OnComm的事件處理程序只處理comEvReceive 事件。

3）串行數(shù)據(jù)的發(fā)送

在串行接收字程序當中，首先去掉待發(fā)送數(shù)據(jù)中的空格，然后要確保待發(fā)送字節(jié)為0～F的十六進制字符。得到正確格式的發(fā)送字節(jié)后，將其送入發(fā)送緩沖區(qū)中（MSComm.Output），最后再送入LMS221。

4）串行數(shù)據(jù)的接收

設(shè)置MSComm 控件的接收數(shù)據(jù)采用二進制，即InputMode=comInput ModeBinary，但用Input 屬性讀取數(shù)據(jù)時，不能直接賦值給Byte類型變量，只能通過先賦值給1個Variant類型變量，返回1個二進制數(shù)據(jù)的數(shù)組，再轉(zhuǎn)換保存到Byte類型變量中。

設(shè)置MSComm 控件的接收中斷觸發(fā)值為1，即Rthreshold=1。以數(shù)據(jù)采集狀態(tài)為例，當有1個串行字符進入接收緩沖區(qū)后，觸發(fā)串行中斷事件。在串行中斷程序中，先取得接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，判斷是否為幀頭的開始，若是再取得下一字節(jié)數(shù)據(jù)，判斷是否為幀頭的第2個數(shù)據(jù)，直到找到幀頭為止。找到幀頭后，其后數(shù)據(jù)便是測量數(shù)據(jù)與幀尾，找到測量數(shù)據(jù)并將其存入數(shù)據(jù)中，送入下一步處理[5]。

5）接收數(shù)據(jù)掃描繪圖

將掃描得到的數(shù)據(jù)進行解析之后，得到的是極坐標的數(shù)據(jù)，將極坐標轉(zhuǎn)換為直角坐標的公式為

式中：R為由解析數(shù)據(jù)得到的測量點離原點的距離；θ為此點的掃描角度。

在程序設(shè)計過程中應(yīng)使掃描距離與掃描角度的值相吻合，以0.5°的角度分辨率為例：定義一個二維數(shù)組，用于暫存測量點距離和對應(yīng)的角度。將每一幀數(shù)據(jù)的第1個測量點數(shù)據(jù)賦給數(shù)組第1 列，再將其對應(yīng)的角度賦給數(shù)組第2 列相應(yīng)的位置，依次把一幀數(shù)據(jù)存于這個二維數(shù)組。再將此二維數(shù)組中的數(shù)據(jù)繪制出來[6]。

6）掃描數(shù)據(jù)的回放

單擊上位機中“數(shù)據(jù)回放”按鍵，從PC 機中加載保存的測量數(shù)據(jù)，再從保存有測量數(shù)據(jù)的txt 文件中找到測量數(shù)據(jù)，然后調(diào)用掃描繪圖函數(shù)將其繪制。當數(shù)據(jù)不夠完整一幀的時候需要舍棄。掃描數(shù)據(jù)回放流程圖見圖1，回放顯示結(jié)果見圖2。

圖1 掃描數(shù)據(jù)回放流程圖

圖2 數(shù)據(jù)回放

2.3 系統(tǒng)設(shè)計流程及功能

本文中設(shè)計了LMS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)能設(shè)置LMS的各項參數(shù)，控制LMS的工作，并能將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232總線采集到計算機中并保存。系統(tǒng)運行界面如圖3所示。

LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能包括：

圖3 LMS上位機運行界面

1）該系統(tǒng)應(yīng)能夠靈活選擇LMS的工作方式，設(shè)置LMS的各項參數(shù)。在數(shù)據(jù)采集軟件中應(yīng)能對系統(tǒng)波特率、工作串口、掃描角度范圍、掃描角度分辨率等做出選擇。

2）對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析后，能夠以掃描繪圖的形式顯示出來。上位機所采集到的數(shù)據(jù)不能夠生動形象、直觀地表現(xiàn)出被測物體的距離和形狀等特性，而掃描繪圖顯示部分不但能夠?qū)崟r地對采集到的數(shù)據(jù)進行距離成像，而且可以直觀地反映出被測物體的主特性。

3）該系統(tǒng)應(yīng)能將LMS的數(shù)據(jù)通過RS232 接口采集到計算機中并保存。采集系統(tǒng)采集到的是一組組動態(tài)數(shù)據(jù)流，存儲系統(tǒng)的目的是能以一種快速有效的格式把該數(shù)據(jù)流源源不斷地存入存儲單元中。而且要求這種存儲格式可以方便今后有需要時，隨時對采集到的數(shù)據(jù)進行調(diào)用、修改和處理。

4）對采集的數(shù)據(jù)分析處理后有數(shù)據(jù)回放功能。動態(tài)采集并保存的數(shù)據(jù)反映出了掃描雷達對被測物體的掃描過程，通過對測量數(shù)據(jù)的回放可得到被測物體的運動軌跡、運動速度等有用的信息，方便用戶利用這些信息做一些有價值的判斷。

2.4 系統(tǒng)測試

在LMS221 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)試方案中，針對系統(tǒng)特性，調(diào)試將分為模擬調(diào)試和上機調(diào)試2種方案。其中模擬調(diào)試是上機調(diào)試的基礎(chǔ)，2種調(diào)試方案都將遵循LMS 從上電后的硬件復(fù)位到數(shù)據(jù)停止采集的過程進行一一調(diào)試。

模擬仿真調(diào)試過程中用到了串口調(diào)試常用軟件，即串口調(diào)試助手軟件和虛擬串口軟件。上機調(diào)試將LMS221 激光雷達通過RS-232 串口接至上位機計算機當中，調(diào)整好24V直流電源，打開LMS221，在上位機中對LMS221進行控制與調(diào)試。

3 小結(jié)

基于激光測距雷達的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用VB6.0開發(fā)完成，界面操作簡單，易于功能擴充，能靈活配置LMS工作方式，設(shè)置各項參數(shù)，同時能將數(shù)據(jù)通過RS232接口傳至上位機中進行掃描繪圖，并可進行保存。系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測試，使用效果良好。

[1]龍憲惠，劉煒.高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320VC54 02在汽車防撞警示雷達中的應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，38（4）：514-517.

[2]張建輝，黃茂三.汽車防撞雷達概述[J].世界汽車，2000（6）：16-18.

[3]戴永江.激光雷達技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]王春暉，陳德應(yīng).激光雷達系統(tǒng)設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2014.

[5]李全江，張麗，岑紅蕾，等.VB 串口通信與測控應(yīng)用技術(shù)實戰(zhàn)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[6]馮洪霞，郭志成.基于VB串口通信控件實現(xiàn)單線路器件在發(fā)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸[J].冶金自動化報，2007（S2）：181-183.