自动驾驶汽车对行人的运动检测与避让

吴晨昊，杨瀚雄，杨 硕，陈 浩，付文虎

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

当今时代，各类科学技术的飞速发展推动了各项产业向智能化与自动化发展，汽车产业也不例外，已融入智能驾驶、自动避障等技术实现自动驾驶。自动驾驶汽车的出现可从根本上预防因不规范驾驶或违规驾驶所导致的道路安全事故，以此为人们的生活带来方便。本文以Arduino开发板为基本控制板，配合超声波传感器、电机、舵机等硬件设计和程序调用，实现避障功能，实现小车的自动控制。通过模型车实验自动驾驶汽车对行人的运动检测与避让的实际可行性。

1 避障系统的原理

全轮驱动的自动避障系统主要由传感器和舵机组成。在车头安装了舵机和传感器模块，以此检测小车前方不同角度的障碍物。对于超声波传感器，检测到的障碍物与车体之间的距离称为障碍物距离d。如果与障碍物的距离小于阈值，车辆必须进行避障，这个阈值称为安全距离D。在驾驶过程中，对来自超声波和红外传感器的数据进行动态分析，计算出汽车在遇到障碍物时必须转弯的角度φ值，然后进行自动避障。

计算汽车转弯角度φ值的具体过程如下：设φ的初始值为0，“+”表示右转，“-”表示左转，超声波及红外传感器分布如图1、图2所示。

1)在位置1、2时，如果d

2)如果d1D1，d2>D2，说明汽车可以通过转弯φ度避开障碍物，由φ=++(a+φ)给出。如果d1>D1，d2>D2，说明汽车通过转弯φ度可以避开障碍物，用公式φ=+(a+φ)表示，否则写成φ=φ+a，重复操作步骤2)，直到计算出转弯角度；当伺服驱动转弯角度达到上限时，默认φ=+90°。

3)同样，如果d2

4)在位置5和6，红外传感器主要用于检测地面上的超声波盲区，以保护汽车的安全，所以当检测到有效距离的障碍物时，默认汽车转角φ=+30°。

5)在位置3和4，车身两侧的超声波模块主要用于检测汽车转弯时两侧的障碍物，默认转弯角度为φ=±30°。

图1 超声波传感器分布情况

图2 红外传感器布置情况

2 系统设计

在这个项目中，智能汽车使用舵机和超声波传感器为避障模块，在Arduino的控制下收集汽车的相关路况信息，并将记录的信息送回Arduino进行处理，Arduino可以通过调用程序来控制汽车采取相应的行动，实现避障功能。

此项目设计分为4个主要功能模块：电源、电机驱动、舵机以及避障，各模块共同实现智能汽车的驾驶、障碍物检测和避障功能，其系统框架如图3所示。

图3 系统框图

2.1 电源模块

电源作为整个硬件链的一个重要部分，提供稳定工作电压以保障系统电路的正常运作。本项目的电源电压范围为6.5～9 V，根据锂离子电池的特性，选用2块3.7 V的锂离子电池和1个电池盒，为系统运行提供7.4 V的稳定电压。

2.2 电机驱动模块

步进电机是通过脉冲移动的，脉冲信号使电机在指定方向上旋转固定的角度。改变步进电机的脉冲数使其角位移发生相应变化，改变脉冲频率调整旋转速度。

驱动电机的选择决定系统电路能否正常运行。本项目依据智能汽车的设计条件，选择了2台L293D电机，可以提供800 mA的驱动电流和4.5～36 V的宽电源电压。内部等效图如图4所示。

图4 L239D内部等效图

2.3 避障模块

目前，智能驾驶辅助系统在汽车上的应用逐渐广泛，国内大部分车企已经开展L3～L4级别的辅助驾驶系统研究，其中传感器是辅助驾驶系统中的重要组成。市场上车载传感器大致分为3类：超声波传感器、毫米波雷达、激光雷达。从经济性方向考虑，超声波传感器成为当前的首选设备。本文中使用的传感器是超声波传感器，实物如图5所示。在本文中，超声波传感器与舵机配合，接收障碍物信号。当传感器检测到障碍物时，传感器发出的波形信号受到反射，根据反射信号的接受时间差异Arduino处理器芯片，运行相应的程序，根据超声波的反射效果和0°～180°的伺服旋转来采取应对措施，达到避开障碍物的目的。

3 实验验证

小车的避障效果以在实验环境中借助简单的物体作为人体模型参照来检验。实验场景布置由模拟小车、人体模型等构成。小车以5 km/h的速度直行，驶向小人模型。小车在距行人模型1 m处开始减速制动，在距小人0.85 m处停止，实验设计如图6所示。

图5 超声波传感器

图6 实验图

本次实验验证了自动驾驶汽车模型能成功地对行人模型进行检测并有效制动。

4 结语

本文使用Arduino UNO主板，辅以电机及其驱动器、超声波传感器、舵机等模块，设计了自动驾驶汽车对行人的检查与避让模型，并验证了其实现的可行性。通过沿着规定的避障路线设计运动模型，进行了驾驶测试，证明避障的性能良好。虽然智能车模型在行驶过程中能准确地识别行人模型并进行避障分析，但此系统也有一些可改进之处，即当本系统应用于汽车中时，单一传感器会造成检测角度盲区，须使用多个传感器协同工作，以此实现对行人的有效避障。