吳晨昊，楊瀚雄，楊 碩，陳 浩，付文虎

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，各類科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)向智能化與自動(dòng)化發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)也不例外，已融入智能駕駛、自動(dòng)避障等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)可從根本上預(yù)防因不規(guī)范駕駛或違規(guī)駕駛所導(dǎo)致的道路安全事故，以此為人們的生活帶來方便。本文以Arduino開發(fā)板為基本控制板，配合超聲波傳感器、電機(jī)、舵機(jī)等硬件設(shè)計(jì)和程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)避障功能，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制。通過模型車實(shí)驗(yàn)自動(dòng)駕駛汽車對(duì)行人的運(yùn)動(dòng)檢測與避讓的實(shí)際可行性。

1 避障系統(tǒng)的原理

全輪驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)避障系統(tǒng)主要由傳感器和舵機(jī)組成。在車頭安裝了舵機(jī)和傳感器模塊，以此檢測小車前方不同角度的障礙物。對(duì)于超聲波傳感器，檢測到的障礙物與車體之間的距離稱為障礙物距離d。如果與障礙物的距離小于閾值，車輛必須進(jìn)行避障，這個(gè)閾值稱為安全距離D。在駕駛過程中，對(duì)來自超聲波和紅外傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算出汽車在遇到障礙物時(shí)必須轉(zhuǎn)彎的角度φ值，然后進(jìn)行自動(dòng)避障。

計(jì)算汽車轉(zhuǎn)彎角度φ值的具體過程如下：設(shè)φ的初始值為0，“+”表示右轉(zhuǎn)，“-”表示左轉(zhuǎn)，超聲波及紅外傳感器分布如圖1、圖2所示。

1)在位置1、2時(shí)，如果d

2)如果d1D1，d2>D2，說明汽車可以通過轉(zhuǎn)彎φ度避開障礙物，由φ=++(a+φ)給出。如果d1>D1，d2>D2，說明汽車通過轉(zhuǎn)彎φ度可以避開障礙物，用公式φ=+(a+φ)表示，否則寫成φ=φ+a，重復(fù)操作步驟2)，直到計(jì)算出轉(zhuǎn)彎角度；當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎角度達(dá)到上限時(shí)，默認(rèn)φ=+90°。

3)同樣，如果d2

4)在位置5和6，紅外傳感器主要用于檢測地面上的超聲波盲區(qū)，以保護(hù)汽車的安全，所以當(dāng)檢測到有效距離的障礙物時(shí)，默認(rèn)汽車轉(zhuǎn)角φ=+30°。

5)在位置3和4，車身兩側(cè)的超聲波模塊主要用于檢測汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)的障礙物，默認(rèn)轉(zhuǎn)彎角度為φ=±30°。

圖1 超聲波傳感器分布情況

圖2 紅外傳感器布置情況

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在這個(gè)項(xiàng)目中，智能汽車使用舵機(jī)和超聲波傳感器為避障模塊，在Arduino的控制下收集汽車的相關(guān)路況信息，并將記錄的信息送回Arduino進(jìn)行處理，Arduino可以通過調(diào)用程序來控制汽車采取相應(yīng)的行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)避障功能。

此項(xiàng)目設(shè)計(jì)分為4個(gè)主要功能模塊：電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)以及避障，各模塊共同實(shí)現(xiàn)智能汽車的駕駛、障礙物檢測和避障功能，其系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.1 電源模塊

電源作為整個(gè)硬件鏈的一個(gè)重要部分，提供穩(wěn)定工作電壓以保障系統(tǒng)電路的正常運(yùn)作。本項(xiàng)目的電源電壓范圍為6.5～9 V，根據(jù)鋰離子電池的特性，選用2塊3.7 V的鋰離子電池和1個(gè)電池盒，為系統(tǒng)運(yùn)行提供7.4 V的穩(wěn)定電壓。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)是通過脈沖移動(dòng)的，脈沖信號(hào)使電機(jī)在指定方向上旋轉(zhuǎn)固定的角度。改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)使其角位移發(fā)生相應(yīng)變化，改變脈沖頻率調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇決定系統(tǒng)電路能否正常運(yùn)行。本項(xiàng)目依據(jù)智能汽車的設(shè)計(jì)條件，選擇了2臺(tái)L293D電機(jī)，可以提供800 mA的驅(qū)動(dòng)電流和4.5～36 V的寬電源電壓。內(nèi)部等效圖如圖4所示。

圖4 L239D內(nèi)部等效圖

2.3 避障模塊

目前，智能駕駛輔助系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用逐漸廣泛，國內(nèi)大部分車企已經(jīng)開展L3～L4級(jí)別的輔助駕駛系統(tǒng)研究，其中傳感器是輔助駕駛系統(tǒng)中的重要組成。市場上車載傳感器大致分為3類：超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)。從經(jīng)濟(jì)性方向考慮，超聲波傳感器成為當(dāng)前的首選設(shè)備。本文中使用的傳感器是超聲波傳感器，實(shí)物如圖5所示。在本文中，超聲波傳感器與舵機(jī)配合，接收障礙物信號(hào)。當(dāng)傳感器檢測到障礙物時(shí)，傳感器發(fā)出的波形信號(hào)受到反射，根據(jù)反射信號(hào)的接受時(shí)間差異Arduino處理器芯片，運(yùn)行相應(yīng)的程序，根據(jù)超聲波的反射效果和0°～180°的伺服旋轉(zhuǎn)來采取應(yīng)對(duì)措施，達(dá)到避開障礙物的目的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

小車的避障效果以在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中借助簡單的物體作為人體模型參照來檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場景布置由模擬小車、人體模型等構(gòu)成。小車以5 km/h的速度直行，駛向小人模型。小車在距行人模型1 m處開始減速制動(dòng)，在距小人0.85 m處停止，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 超聲波傳感器

圖6 實(shí)驗(yàn)圖

本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自動(dòng)駕駛汽車模型能成功地對(duì)行人模型進(jìn)行檢測并有效制動(dòng)。

4 結(jié)語

本文使用Arduino UNO主板，輔以電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、超聲波傳感器、舵機(jī)等模塊，設(shè)計(jì)了自動(dòng)駕駛汽車對(duì)行人的檢查與避讓模型，并驗(yàn)證了其實(shí)現(xiàn)的可行性。通過沿著規(guī)定的避障路線設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)行了駕駛測試，證明避障的性能良好。雖然智能車模型在行駛過程中能準(zhǔn)確地識(shí)別行人模型并進(jìn)行避障分析，但此系統(tǒng)也有一些可改進(jìn)之處，即當(dāng)本系統(tǒng)應(yīng)用于汽車中時(shí)，單一傳感器會(huì)造成檢測角度盲區(qū)，須使用多個(gè)傳感器協(xié)同工作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)行人的有效避障。