劉硯菊，鄒 波，宋建輝，池 云

(1.沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽110159；2.遼寧行政學(xué)院，沈陽110161)

一種基于單線激光雷達的無人車避障系統(tǒng)設(shè)計

劉硯菊1，鄒 波1，宋建輝1，池 云2

(1.沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽110159；2.遼寧行政學(xué)院，沈陽110161)

為了實現(xiàn)無人車輛在野外等復(fù)雜環(huán)境中順利躲避障礙物以實現(xiàn)獨立自主行走的目的，完成了一種基于單線激光雷達的無人車避障系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及障礙信息實時顯示界面。該系統(tǒng)將掃描平面區(qū)域劃分為緊急避障區(qū)、避障區(qū)以及遠離避障區(qū)，對障礙物信息進行編碼，不同區(qū)域采取不同的控制策略。實驗結(jié)果證實了這一設(shè)計的合理性，證明了該避障系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人車獨立自主行走的功能。

無人車輛；單線激光雷達；避障系統(tǒng)

科技的快速發(fā)展，人們對交通工具的智能化需求越來越大，設(shè)計出更加安全、便捷的交通工具是未來發(fā)展趨勢，其中避障能力的高低是反映智能機器人智能化的一個關(guān)鍵因素[1-3]。另外，軍事方面對無人車需求日益增長，無人車發(fā)展空間巨大。

目前，無人車發(fā)展還處于起步階段，各國都相繼開始了智能無人駕駛汽車的研究[4-5]。如德國的Ibeo公司利用先進的激光傳感技術(shù)實現(xiàn)汽車的無人駕駛。其中傳感器的選擇是無人車成功避障的前提，利用視覺傳感器的移動機器人避障方法[6-7]，具有探測范圍廣的特點。然而，單目視覺則只能獲取環(huán)境的二維圖像信息，無法獲取環(huán)境障礙物的深度信息，雙目視覺，則存在實時性差[8]、計算復(fù)雜等缺點。依靠超聲波或紅外測距傳感器的移動機器人避障方法[9-10]，則存在探測范圍有限，探測點數(shù)據(jù)量不夠多，影響無人車避障控制的精確度等缺陷。而單線激光雷達掃描周期短，探測范圍廣，能提供大量環(huán)境掃描點距離信息，為控制決策提供方便。本文基于單線激光雷達設(shè)計并實現(xiàn)了一種無人車避障系統(tǒng)。

1 無人車避障系統(tǒng)設(shè)計

1.1 無人車避障系統(tǒng)硬件設(shè)計

無人車避障系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 無人車避障系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

整個系統(tǒng)主要分為兩部分，上位機和下位機。PC機作為上位機，用于接收單線激光雷達采集的環(huán)境距離點數(shù)據(jù)。然后經(jīng)過編碼處理，發(fā)送控制指令給下位機—單片機控制模塊。單片機控制模塊經(jīng)過通信解碼后控制無刷直流電動機驅(qū)動器，進而控制無刷直流電動機的動作。下位機的能量核心是一個直流24V的鋰電池，它除了直接給無刷直流電動機驅(qū)動器供電外，還經(jīng)過電源模塊轉(zhuǎn)換為直流12V電供給單線激光雷達，直流5V電供給單片機控制板。

1.2 避障傳感器的選型

在避障控制方面，有眾多傳感器，比如光電傳感器、超聲波傳感器、單線激光雷達、4線或多線激光雷達等等。其中，光電傳感器具有檢測距離近，在對黑色物體的檢測上，由于黑色物體反射率不強，不能反射足夠的光到光電開關(guān)接收器上，對黑色障礙物目標(biāo)檢測會失效。超聲波傳感器具有抗干擾性弱的特點，容易受環(huán)境干擾。4線或多線激光雷達具有價格高昂，控制較復(fù)雜。而HOKUYO公司生產(chǎn)的單線激光雷達UTM-30LX擁有270°的平面掃描范圍，每0.25°發(fā)射一個激光束，最大測距30m，一個掃描周期為25ms。內(nèi)部集成計算單元，用于測算每一個掃描點距離信息，這樣每個掃描周期上傳1081個環(huán)境距離點數(shù)據(jù)，它們都在激光掃描平面上。設(shè)有USB2.0全速通訊接口，方便PC機采集環(huán)境障礙物距離信息，為后期的避障策略提供數(shù)據(jù)支持。所使用的單線激光雷達如圖2所示。

圖2 單線激光雷達UTM-30LX

1.3 單線激光雷達的工作原理

單線激光雷達基于激光時間飛行原理和多次回波原理而工作。首先由激光發(fā)射器發(fā)射一脈沖激光波，此時內(nèi)部定時器記錄時間t1，當(dāng)激光波碰到物體后，部分能量會返回給激光雷達接收器，當(dāng)接收器接收到返回的激光波時，停止定時器，記錄時間t2，則激光雷達中心到障礙物的距離為

S=C×(t2-t1)÷2

(1)

式中C為光速，這樣一次測量計算結(jié)束。當(dāng)激光掃描器發(fā)射的激光脈沖波遇到的第一個物體是玻璃或其他可以透過的物體時，激光脈沖波會繼續(xù)前進，當(dāng)碰到第二個障礙物體時，部分能量返回，當(dāng)激光接收器接收到的返回激光波能量足以觸發(fā)門限值，激光掃描器計算它到物體的距離值。以此類推，激光掃描器發(fā)出的一個激光脈沖波可以給出多個測量值，用戶可以根據(jù)需要選擇一個或多個測量值。

2 激光雷達掃描界面設(shè)計

2.1 環(huán)境距離點的表示以及坐標(biāo)變換

單線激光雷達測得的都是一個個距離點信息，要想顯示這些數(shù)據(jù)點，首先要把每個數(shù)據(jù)點的坐標(biāo)確定下來。解析激光雷達回傳的數(shù)據(jù)包，在每一個掃描周期完成后，其將距離點值存放在數(shù)組data[]中，共1081個距離點值，代表270°平面區(qū)域，相鄰兩個掃描點的間隔為0.25°。這樣用極坐標(biāo)可以方便地將整個掃描平面區(qū)域距離點進行表示，如下：

(2)

式中:θ為極角；ρ為極徑。為了將實際環(huán)境掃描點信息轉(zhuǎn)換成人眼正常觀測環(huán)境的視角，這里需要將極坐標(biāo)做個旋轉(zhuǎn)變換，轉(zhuǎn)換公式如下：

(3)

2.2 利用OpenCV將掃描點顯示在窗口上

經(jīng)過上述掃描點的坐標(biāo)變換之后，環(huán)境距離點的方向與距離這兩個要素與實際環(huán)境完美契合。但利用OpenCV繪制這些環(huán)境距離點云的時候，用的是x、y坐標(biāo)系的形式，而且繪圖窗口上的默認(rèn)坐標(biāo)為：左上角為原點位置，水平向右為x軸正方向，垂直向下為y軸正方向。這就需要將上述的極坐標(biāo)系變成與繪圖窗口對應(yīng)的x、y坐標(biāo)系。在轉(zhuǎn)換的過程中考慮每個距離點的單位為mm，其數(shù)值比較大，在映射到x、y坐標(biāo)系前，對極徑做放縮處理，以便所有掃描點全部顯示在繪圖窗口上。為激光雷達掃描得到的距離點確定一個中心，即激光雷達發(fā)射點所在的位置。定義繪圖窗口的寬為RadarWidth，高為RadarHeight。設(shè)雷達中心的位置坐標(biāo)為(xd,yd)，相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式如下：

(4)

式中(x,y)為環(huán)境掃描點坐標(biāo)。整個系統(tǒng)在MicrosoftVisualStudio2010開發(fā)平臺上設(shè)計完成，通過加載OpenCV2.4.4函數(shù)庫，將這些數(shù)據(jù)點繪制在窗口上，實時刷新，實現(xiàn)無人車運動與環(huán)境掃描點的同步，為后面的控制策略做好準(zhǔn)備。圖3為環(huán)境照片，圖4為單線激光雷達掃描環(huán)境后在電腦界面顯示的距離點信息。

圖3 測試用的環(huán)境

圖4 測試的環(huán)境距離點映射到電腦顯示界面

表1為單線激光雷達采集測試環(huán)境距離點的4幀數(shù)據(jù)信息，每一個數(shù)據(jù)對應(yīng)兩個屬性，即當(dāng)前角度以及障礙點距離數(shù)值,距離數(shù)值單位為mm。

表1 激光雷達采集測試環(huán)境距離點數(shù)據(jù)

實際測量的環(huán)境障礙點與雷達中心間的距離正如雷達顯示界面上描繪的那樣，相對位置與距離也都符合實際情況。這樣，一種可視化環(huán)境描繪出來，為下一步的避障控制提供條件。

3 無人車避障控制方法

3.1 無人車避障控制軟件系統(tǒng)流程

無人車避障軟件系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 無人車避障控制軟件系統(tǒng)流程圖

3.2 無人車避障控制軟件系統(tǒng)具體實現(xiàn)

前面已經(jīng)將單線激光雷達掃描得到的環(huán)境距離點信息顯示在界面上，能實時觀測出單線激光雷達前方270°平面范圍上的數(shù)據(jù)點。這里選取0°～180°的平面掃描區(qū)域作為此次障礙物判斷處理區(qū)域，其它平面區(qū)域為冗余區(qū)域。掃描平面為一扇形區(qū)域，在0°～180°的掃描平面上每隔22.5°劃分一個障礙物判斷區(qū)域，這樣在無人車的前方共劃分為8個障礙物檢測判斷區(qū)域。設(shè)置躲避障礙物距離閾值Section_Min_Threshold和Section_Max_Threshold，以此將整個避障區(qū)域劃分為無人車緊急避障帶、無人車正常避障帶以及無障礙帶三個區(qū)域。反復(fù)實驗證實，將上述閾值分別設(shè)置為400mm和900mm時避障效果最佳，程序里可在頭文件中以宏定義的方式設(shè)置上述閾值供其它函數(shù)調(diào)用?？刂葡到y(tǒng)針對劃分的三個區(qū)域?qū)嵭胁煌目刂撇呗?，其中緊急避障帶為最高優(yōu)先級，系統(tǒng)檢測到障礙物處于這一區(qū)域后立即響應(yīng)，發(fā)送停車指令，及時停車防止碰撞。相應(yīng)的區(qū)域采取相關(guān)避障控制動作，相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)無人車避障任務(wù)要求。8個障礙物監(jiān)測區(qū)域，任一區(qū)域障礙物的有無用一個標(biāo)志位表示，其中0表示該區(qū)域有障礙物，1表示該區(qū)域沒有障礙物。通過統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)距離點的數(shù)量來判斷障礙物的有無，大于給定的數(shù)量閾值Point_Cnt_Threshold則表示此區(qū)域存在障礙物，否則沒有障礙物。此數(shù)量閾值實際代表障礙物檢測的靈敏度，太小導(dǎo)致靈敏度太高容易誤判，經(jīng)實驗測試選用20比較理想，這樣8個區(qū)域的障礙物分布情況可以用一個無符號字符型變量來標(biāo)識，通過判斷該變量值的情況，向無人車發(fā)送控制指令，有效規(guī)避障礙物。無人車最終的控制界面與顯示界面如圖6、圖7所示，圖6展現(xiàn)單線激光雷達采集數(shù)據(jù)點的分布，圖7展現(xiàn)無人車平臺發(fā)送控制指令的回顯指示，實時顯示每一次發(fā)出的控制指令。

圖6 單線激光雷達采集數(shù)據(jù)點的分布界面

圖7 無人車平臺發(fā)送控制指令回顯指示

4 無人車避障實驗

安裝避障程序的無人車在室內(nèi)和樓道進行多次避障實驗，障礙物有行人，墻壁、椅子、門、箱子等。實驗效果證明無人車避障效果良好，無人車總能在行走過程中避開設(shè)置的各種障礙物。圖8和圖9分別展示了無人車在障礙物為隔板和箱子時的避障實驗。

圖8 無人車遇到擋板的避障實驗

圖9 無人車遇到箱子的避障實驗

5 結(jié)束語

基于單線激光雷達的無人車避障控制系統(tǒng)的一系列研究測試，均具有良好的表現(xiàn)效果，證實了該無人車硬件系統(tǒng)設(shè)計、單線激光雷達掃描界面設(shè)計以及無人車避障控制方法設(shè)計的合理性。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Design of an Obstacle Avoidance System of Unmanned Vehicles with Single-line Laser Radar

LIU Yanju1,ZOU Bo1,SONG Jianhui1,CHI Yun2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China;2.Liaoning Academy of Governance,Shenyang 110161,China)

In order to realize the purpose of intelligent unmanned vehicle field and other complex environment independent drivinge，the hardware and software design of an unmanned vehicle obstacle avoidance system are completed by signal line laser radar and real-time display interface of the obstacle information.A convenient method to partition the scanning plane and encode information of obstacles is proposed by single-line laser radar.Different control strategy is applied in different areas.Experimental results confirm designing rationality，which proves that the system meets the requirement of the unmanned vehicle autonomous driving.

unmanned vehicle；single-line laser radar；the obstacle avoidance system

2016-04-19

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)基金資助項目(L2014079)

劉硯菊(1965—)女，教授，博士，研究方向：智能儀器控制裝置。

1003-1251(2017)02-0012-05

TP24

A