基於激光測距的盲區檢測雷達設計
1 激光測距應用介紹
激光測距傳感器是一種利用激光技術進行距離測量的傳感器，根據其工作原理和應用場景不同，可以分為多種類型，以下是其中常見的幾種：
時間差法激光測距傳感器：該傳感器通過發射激光脈衝，當激光脈衝照射到目標物體上時，返回的反射光經過接收器接收，並測量其時間差來計算距離。時間差法激光測距傳感器適用於測量較短距離範圍內的距離，通常精度較高[2]。
相移法激光測距傳感器：該傳感器采用的是激光幹涉測量原理，將激光分為兩束，一束經過參考光路，另一束經過目標物體後返回接收器。將兩束激光疊加，通過相位差來計算目標物體的距離。相移法激光測距傳感器通常適用於需要高精度測量的場景。
波前法激光測距傳感器：該傳感器通過測量激光波前形態的變化來計算目標物體的距離。其采用的是自適應光學技術，能夠自動調整激光波前形態，適應不同距離和目標物體的形態，具有高精度和廣泛的應用範圍。
相位測量法激光測距傳感器：該傳感器通過測量激光信號的相位變化來計算目標物體的距離。相位測量法激光測距傳感器通常精度高，但測量範圍較窄，適用於測量較短距離的場景。
除了以上常見的幾種激光測距傳感器，還有一些其他類型的傳感器，如三角測量法激光測距傳感器、多目標激光測距傳感器等，而我們的車輛盲區檢測基本上就是進行車輛周邊工況檢測，因此我們使用時間差法激光測距傳感器。
2 係統方案設計
本係統的主要功能是為了檢測大貨車盲區內是否有其他物品，在停車和低速時進行安全預警，提醒司機盲區內存在異物，防止安全事故發生；本係統基於VL53L1傳感器設計了一套盲區檢測係統。該傳感器測量傳感器與周圍物體之間的距離，從而讓係統能檢測到貨車盲區內的潛在危險。該係統包括可視化顯示和聲音警報，以提示駕駛員注意潛在的危險。
本係統采用低成本處理器ESP32， 其擁有80~160 MHz 的主頻速率使得處理器可以輕鬆處理外圍傳感器數據，同時它支持多種低功耗模式，例如Deep Sleep、Modem Sleep 等。Deep Sleep 模式可以使芯片功耗降低到最低，當芯片處於Deep Sleep 狀態時，整個芯片會進入低功耗模式，隻有RTC 計時器和一些GPIO 保持喚醒狀態。在Deep Sleep 模式下，ESP32 可以達到幾微安的功耗，能夠延長電池壽命，從而實現長期低功耗運行。
除了低功耗，ESP32 還具備豐富的外設接口，包括GPIO、SPI、UART、PWM等。GPIO 可以通過軟件控製，實現各種功能，例如控製LED 燈、讀取傳感器數據等。SPI 接口可以連接外部存儲器或其他外設，實現數據存儲或傳輸等功能。UART 接口可以連接串口設備，例如電腦或其他微控製器，實現數據通信。PWM 接口可以產生PWM 信號，用於控製舵機、電機等。此外，ESP32 還支持ADC、I2C、SDIO 等其他接口，可以滿足不同應用的需求。
VL53L1X 是一種激光測距傳感器，采用時間差法進行距離測量，是一種時間飛行（TOF）傳感器。它使用紅外激光器發射激光脈衝，測量反射激光脈衝的時間差，從而計算出目標物體與傳感器之間的距離[3]。VL53L1 具有高精度、小尺寸、低功耗等特點，在許多應用中都有廣泛的應用，例如自動駕駛、智能家居、機器人導航等。芯片內部集成了激光發射器和SPAD 紅外接收器，采用了第二代FightSenseTM 技術，通過接收器所接收到的光子時間來計算距離，最遠測量距離可達4 m，適合中短距離測量的應用[4-8]。
係統使用4.3 英寸LCD 液晶屏作為係統顯示模組，同時配備高亮LED 及蜂鳴器做聲光提升，根據不同距離及危險程度進行警告和提示。
2 硬件係統設計
係統在硬件設計上較為簡單，由於原傳感器采用的IIC 協議通訊速率較高，通信距離較近，在應用中大多都應用於板間通信，無法進行長距離通信，因此係統設計上利用ESP32 的WiFi 組網功能，實現無線節點網絡間的數據傳輸[9-12]，各節點單獨使用1 個處理器進行數據處理、掉線檢測等功能。
3 嵌軟設計及外設通信
對嵌入式軟件設計整體思路是通過ESP32 的WIFI組網功能，將節點數據進行匯總發送到主機，根據閾值空間不同進行相應報警，同時與常規倒車雷達類似，將距離數據渲染到TFT 屏幕；此外各傳感器節點通過相應協議讀取傳感器數據，考慮到傳感器數據的穩定性問題，將傳感器數據進行濾波處理，保證數據的準確性後才將數據發給主機。
數據匯總時使用UDP 協議發送數據，相應上報數據協議如圖4 所示。在整個嵌入式係統的設計過程中，我們還考慮了係統的低功耗和實時性問題，通過合理的係統設計和代碼實現，達到了係統低功耗和高實時性的目標。
4 係統測試及結語
在針對於大型貨車的應用中，主要是對行人、車輛等物品進行檢測，在貨車盲區安裝傳感器節點後進行測試，每組測試100 次，進行10 次測試，測試結果如圖1。
1）靈敏度測試：測試係統是否能夠正確地檢測到障礙物並發出警報。通過放置障礙物在車輛後方和側方不同位置進行測試；
2）範圍測試：測試係統的檢測範圍是否符合要求。可以通過將障礙物放置在係統檢測範圍的邊緣進行測試；
3）精度測試：測試係統的檢測距離和位置是否準確，檢測誤差是否在3% 以內；
4）響應時間測試：測試係統的響應時間是否符合要求。在25 次采樣濾波周期內（即0.5 s）發出警告提醒。
參考文獻：
[1] 交宣.創新管理措施,防範大貨車右轉盲區致禍[J].道路交通管理,2021,No.446(10):14-16
[2] 任晶秋,鍾攀,張琳,等.人體紅外測溫槍的溫度測量補償研究[J].電子測量技術, 2021
[3] 石向榮.基於VL53L0X的激光避障傳感器設計[J].福建質量管理, 2019(13)
[4] 何立仁,王義.無觸點開關控製的汽車CAN總線燈光係統(英文)[J].測試科學與儀器:英文版, 2014, 5(1):5.
[5] 彭為強.複雜環境下基於雙激光雷達融合的感知係統研究[D].上海:上海師範大學,2022.
[6] 張一鳴.超聲波測距盲區研究的探討[J].電腦知識與技術,2020,16(12):256-258.
[7] 程珩,李瑾,靳寶全.基於無源自振抑製的小盲區超聲測距方法[J].振動測試與診斷,2015,35(2):369-374+404.
[8] 淩超.汽車側麵盲區防撞預警係統的設計與實現[D].上海:複旦大學,2013.
[9] 倪陽旦,盧東祁,喻謙,等.基於ESP-Mesh網絡的變電站物聯信息匯聚[J].上海交通大學學報,2021,55(S2):60-63.
[10] 關世友,吳再群,劉曉輝.一種物聯網節點自組網方案設計與實現[J].長江信息通信,2021,34(09):116-118+122.
[11] 令曉靜.敏捷.分布式WiFi技術研究及應用[J].中國新通信,2021,23(20):66-67.
[12] 唐雨.基於WIFI無線傳感網的結構應變同步測量方法研究[D].武漢:武漢理工大學,2021.
（本文來源於《電子產品世界》雜誌2023年6月期）
.png)
