一激光的内部结构.doc

基于激光雷达的智能车辆避障系统研究 激光雷达物理特性 一 激光的内部结构 激光雷达的内部构造如图2-6所示。它主要有发光二极管、反射镜、电机、角度编码器和控制电路等组成。它是基于飞行时间测量原理，是一种非接触式光学测量系统，它向环境中发射红外激光和接收到反射的激光所需时间计算物体的距离。一个极短的红外激光束射向前方物体，依据物体的反射率不同，部分光被反射回来，旋转的镜头使激光束射向前方半圆形区域内的点，每个点的精确方向是由镜头上的角度编码器测量到的，许多测量点在一起就构成前方区域轮廓的一个模型，工作原理如图2-7所示。然后用实时串口RS-422或RS-232把测 量的数据传给其它的主机进行进一步的数据处理。 二 激光的工作原理 激光雷达扫描角度范围可选择为100度和180度，角度分辨率可选择为0.25°,0.5°or 1°。当配置激光雷达为180度扫描范围，0.5°角度分辨率时，总共有361个扫描值，每个扫描值由两个字节组成，激光雷达收到数据请求信息后就会输出这些数据。 激光雷达发出的光束具有一定的尺寸大小，光斑从发射到反射回来的过程中，会发生光斑发散现象，即在飞行过程中光斑会不断扩大。当SICK LMS291激光雷达的角度分辨率为0.5°时，激光打在物体表面的光斑的直径和相邻光斑间距离如图2-8所示[24]，理想的光斑应该是圆形。Wang等人[25]使用红外照相机获得激光光斑形状见图2-9，红色方框表示对应测量点的光斑形状。可见，激光具有一定的发射角度，相邻测量点间存在相同的覆盖区域，因而不会导致由于物体形状太小而无法测量。另外，激光雷达的测量受环境中物体的反射率影响，物体的反射率越大，反射回来的红外光的能量就越强，因而可以检测的距离就越远。但是，当物体的表面过于光滑，并且具有很大的反射率时，会产生镜面反射，无法获得正确的测量。激光雷达发射的激光波长为905nm的近红外线，为人眼不可见。 三 激光的测量范围 激光雷达扫描物体的距离依赖于目标物体的反射率和激光束的强度。一些物体的反射率如下所示(KODAK standards)： 以激光雷达测量目标物体的范围为横坐标，物体的反射率为纵坐标，各个激光雷达的曲线图如下所示： 四 激光性能和接口 激光雷达具有四种传输速率：9600，19200，38400和500K Bd，在前三种波特率下可以使用RS232/RS422通信接口，由于RS232方式的最高波特率为115.2K Bd，所以在500K Bd时，使用RS422接口方式，数据线使用双绞线，连接方式需要参考接口卡的引脚分配，如表2-4所示。 要获取最大数据量并进行大范围测量，激光雷达的参数设置和性能如表2-5所示。 激光雷达的最大上电电流为1.1A，工作电流为0.8A。前面上部有三个信号指示灯，上电时红灯亮，待电流稳定后变成绿灯亮。使用程序对激光雷达参数进行配置时，红灯会亮很短的时间，待配置成功后又变成绿灯亮。如果中间的黄灯闪烁，可能是因为环境中物体离激光雷达的检测距离太近，或者黑色玻璃罩上有灰尘。 激光的配置 一 串口通信协议 在激光雷达和控制板通过RS-422接口进行通信之前，必须先了解各自的通信协议。激光雷达的通信协议已经定义好，每个字节由1个起始位、8个数据位，0个奇偶位，1个停止位组成。控制板的422通信协议可以配置成多种格式，如表3-1所示，但为了使控制板和激光雷达正常通信，协议格式应该和激光雷达保持一致。 二 激光的报文结构 激光雷达要求按预定义的报文格式和接口板通信。报文以STX字节（02H）开始，每个测量数据由16位组成，低位字节在前，高位字节在后。具体的报文格式如表3-2所示。 报文格式的描述如表所示，报文由7个部分组成，LEN表示的是其后除了CRC外的字节个数，通过读取LEN，就可以知道激光雷达返回了多少个测量数据。 三 数据处理 车辆在自动驾驶的时候需要实时检测车前方一定范围内的障碍物，一旦发现有障碍物就必须控制车辆紧急制动以免发生事故，这个障碍物检测是由安装在车前部的激光雷达完成的。 当UART接口接收到激光雷达一楨数据732个字节后，进行CRC校验，校验数据无误后，去掉楨头和楨尾，将数据放在数组Laser_Range2[]里，这是一个长度为361的数组，保存着激光雷达扫描后获得的数据，每隔0.5度获得一个距离值，Laser_Range2[0]代表0度的距离值，Laser_Range2[360]代表180度的距离值，数组里的每个成员都代表了一个极坐标的值，数组下标表示角度，数组成员的值表示距离。 车辆走直线和转弯时，前方警戒区域的范围是不一样的，例如，当车辆转弯时，如果把车辆正前方的区域都看成是警戒区域，车可能会紧急停车以至于不能转弯，所以先需要分析车辆在不同行驶情况下的警戒区域，然后再警戒区域白内进行障碍