基于激光测距的盲区检测雷达设计

刘会　颜灿晨　杨伟

关键词：激光测距；盲区检测；嵌入式；传感器网络节点

混合交通一直以来都是我国国省道的主要通行及货运通道，而重型大型货车因内外轮半径差较大，以及，盲区无法避免等原因，在十字路口路口等红绿灯时经常发送交通事故。为此，多地交警在十字路口规划时都喷涂上月牙形的转弯危险区，而上海交管局哪怕规定右转速度不能超过5 km/h 但仍然有“包饺子”事件发生[1]。由于很多人对于货车盲区认知不是非常清晰，这使得货车司机成为防止事故发生的核心因素。盲区雷达基本上成为了司机的第2 双眼睛，常见的有摄像头、毫米波、红外检测雷达，但当前市场上大多盲区雷达存在着：精度差、价格高、检测面局限等问题。导致货车安装量非常低，因此本文基于激光测距原理设计了一种及低成本的盲区检测雷达。

1 激光测距应用介绍

激光测距传感器是一种利用激光技术进行距离测量的传感器，根据其工作原理和应用场景不同，可以分为多种类型，以下是其中常见的几种：

时间差法激光测距传感器：该传感器通过发射激光脉冲，当激光脉冲照射到目标物体上时，返回的反射光经过接收器接收，并测量其时间差来计算距离。时间差法激光测距传感器适用于测量较短距离范围内的距离，通常精度较高[2]。

相移法激光测距传感器：该传感器采用的是激光干涉测量原理，将激光分为两束，一束经过参考光路，另一束经过目标物体后返回接收器。将两束激光叠加，通过相位差来计算目标物体的距离。相移法激光测距传感器通常适用于需要高精度测量的场景。

波前法激光测距传感器：该传感器通过测量激光波前形态的变化来计算目标物体的距离。其采用的是自适应光学技术，能够自动调整激光波前形态，适应不同距离和目标物体的形态，具有高精度和广泛的应用范围。

相位测量法激光测距传感器：该传感器通过测量激光信号的相位变化来计算目标物体的距离。相位测量法激光测距传感器通常精度高，但测量范围较窄，适用于测量较短距离的场景。

除了以上常见的几种激光测距传感器，还有一些其他类型的传感器，如三角测量法激光测距传感器、多目标激光测距传感器等，而我们的车辆盲区检测基本上就是进行车辆周边工况检测，因此我们使用时间差法激光测距传感器。

2 系统方案设计

本系统的主要功能是为了检测大货车盲区内是否有其他物品，在停车和低速时进行安全预警，提醒司机盲区内存在异物，防止安全事故发生；本系统基于VL53L1传感器设计了一套盲区检测系统。该传感器测量传感器与周围物体之间的距离，从而让系统能检测到货车盲区内的潜在危险。该系统包括可视化显示和声音警报，以提示驾驶员注意潜在的危险。

本系统采用低成本处理器ESP32，其拥有80～160 MHz的主频速率使得处理器可以轻松处理外围传感器数据，同时它支持多种低功耗模式，例如Deep Sleep、Modem Sleep等。Deep Sleep模式可以使芯片功耗降低到最低，当芯片处于Deep Sleep状态时，整个芯片会进入低功耗模式，只有RTC计时器和一些GPIO保持唤醒状态。在Deep Sleep模式下，ESP32可以达到几微安的功耗，能够延长电池寿命，从而实现长期低功耗运行。

除了低功耗，ESP32还具备丰富的外设接口，包括GPIO、SPI、UART、PWM等。GPIO可以通过软件控制，实现各种功能，例如控制LED灯、读取传感器数据等。SPI接口可以连接外部存储器或其他外设，实现数据存储或传输等功能。UART接口可以连接串口设备，例如电脑或其他微控制器，实现数据通信。PWM接口可以产生PWM信号，用于控制舵机、电机等。此外，ESP32还支持ADC、12C、SDIO等其他接口，可以满足不同应用的需求。

VL53LIX是一种激光测距传感器，采用时间差法进行距离测量，是一种时间飞行（TOF）传感器。它使用红外激光器发射激光脉冲，测量反射激光脉冲的时间差，从而计算出目标物体与传感器之间的距离[3]。VL53L1具有高精度、小尺寸、低功耗等特点，在许多应用中都有广泛的应用，例如自动驾驶、智能家居、机器人导航等。芯片内部集成了激光发射器和SPAD红外接收器，采用了第二代FightSenseTM技术，通过接收器所接收到的光子时间来计算距离，最远测量距离可达4m，适合中短距离测量的应用[4-8]。

系统使用4.3英寸LCD液晶屏作为系统显示模组，同时配备高亮LED及蜂鸣器做声光提升，根据不同距离及危险程度进行警告和提示。

2硬件系统设计

系统在硬件设计上较为简单，由于原传感器采用的IIC协议通讯速率较高，通信距离较近，在应用中大多都应用于板间通信，无法进行长距离通信，因此系统设计上利用ESP32的WiFi组网功能，实现无线节点网络间的数据传输[9-12]，各节点单独使用1个处理器进行数据处理、掉线检测等功能。

系统硬件设计除了驾驶室主机增加声光系统外，其他节点设计完全一致。硬件系统电路图如图1所示。

根据电路图进行PCB设计，PCB电路板3D图如图2所示。

3嵌软设计及外设通信

对嵌入式软件设计整体思路是通过ESP32的WIFI组网功能，将节点数据进行汇总发送到主机，根据阈值空间不同进行相应报警，同时与常规倒车雷达类似，将距离数据渲染到TFT屏幕；此外各传感器节点通过相应协议读取传感器数据，考虑到传感器数据的稳定性问题，将传感器数据进行滤波处理，保证数据的准确性后才将数据发给主机，其中激光测距流程如图3所示。

数据汇总时使用UDP协议发送数据，相应上报数据协议如图4所示。在整个嵌入式系统的设计过程中，我们还考虑了系统的低功耗和实时性问题，通过合理的系统设计和代码实现，达到了系统低功耗和高实时性的目标。

4系統测试及结语

在针对于大型货车的应用中，主要是对行人、车辆等物品进行检测，在货车盲区安装传感器节点后进行测试，每组测试100次，进行10次测试，测试结果如图5。

1）灵敏度测试：测试系统是否能够正确地检测到障碍物并发出警报。通过放置障碍物在车辆后方和侧方不同位置进行测试；

2）范围测试：测试系统的检测范围是否符合要求。可以通过将障碍物放置在系统检测范围的边缘进行测试；

3）精度测试测试系统的检测距离和位置是否准确，检测误差是否在3%以内；

4）响应时间测试：测试系统的响应时间是否符合要求。在25次采样滤波周期内（即0.5 s）发出警告提醒。