CN103640522A - 基于激光的车头与障碍物间距离检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光的车头与障碍物间距离检测装置及方法。装置包括控制系统和检测系统，控制系统安装在车内，检测系统安装在车头前，控制系统包括第一单片机、缓冲器、显示屏与按键，显示屏与按键连接到第一单片机；检测系统包括第二单片机、激光管、扩束镜和执行装置，扩束镜水平安装在激光管的前面，激光管通过激光开关电路连接到第二单片机，执行装置与第二单片机连接；第一单片机与第二单片机之间采用有线通信或者无线通信。执行装置可以采用摄像头或者电机以及光电门等装置。本发明能实现在车快要撞到墙体之前驾驶员能够准确获知距离信息，并且不受障碍物材料可以吸收声波，或者过于纤细而无法反射声波引起的盲区。

Description

基于激光的车头与障碍物间距离检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种将低能量激光经过扩束后，照射到物体上产生可见的漫反射，再通过标线或车前盖等固有标记来检测、警示车头与障碍物之间安全距离的装置及方法，实现泊车过程中安全距离的高效测试及控制。

背景技术

汽车作为一种现代的交通工具，在做狭窄车位的侧方停车时，因为驾驶员经验不足或者不熟悉车况的情况下，出现“视觉盲区”，经常碰撞到前车或墙壁等障碍物，造成经济损失。尤其是在能见度较低的天气或者是晚上，此类小事故经常发生。

现在针对预防擦碰开发的设备主要有两类:

一是雷达，由显示器，控制器，传感器构成，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，雷达的优点在于鲁棒性较好，受泥水等污染的干扰的较小，测试距离较为精确，不占用驾驶员的视线，不分散驾驶员注意力，雷达的缺点在于，无法探测纤细的物体，也无法探测沟渠，过于低矮的物体也会落在盲区无法探测，对于吸收声波材料的障碍物无法准确探测。第二种是使用摄像头，其原理是将车后的情况用摄像头拍摄以后通过视频线缆传输到前面的显示屏进行显示，优点是较为直观，其缺点是驾驶员需要处理的信息量较大，无法做出预警，泥水容易污染摄像头，而且易分散驾驶员对于车身其它部位的注意力，造成其他事故(比如侧向刮蹭)，这种装置由于驾驶员不同或视力差异容易引起的估算不准，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的设备安装不方便、检测有死角、驾驶员需要处理的信息量大等缺陷，提供一种基于激光的车头与障碍物间距离检测装置。本发明的另外一个目的是提供该装置的检测方法。

本发明采用的技术方案是：

基于激光的车头与障碍物间距离检测装置，包括控制系统和检测系统，控制系统安装在车内，检测系统安装在车头前，控制系统包括第一单片机、缓冲器、显示屏与按键，显示屏与按键连接到第一单片机；检测系统包括第二单片机、激光管、扩束镜和执行装置，扩束镜水平安装在激光管的前面，激光管通过激光开关电路连接到第二单片机，执行装置与第二单片机连接；第一单片机与第二单片机之间采用有线通信或者无线通信。

所述执行装置包括电机、减速轮系、光电管、编码盘和电机驱动电路，激光管安装在减速轮系的输出轴上，减速轮系接电机的输入轴，电机的输出轴一端接编码盘，光电管安装在编码盘边缘，并且与编码盘不接触；在电机输出轴另外一端加装光电门，电机的两电极接到电机驱动电路上，光电管的输出端和电机驱动电路的输入端接到第二单片机的相应IO口上。

具有上述执行装置的检测装置的检测步骤如下：

（1）首先驾驶员根据自身的座高确定车辆与障碍物的安全距离，即激光管发出的光线被车头挡住落入驾驶员视线盲区时的距离，记录此时激光管发出的光线与水平面的夹角θ并存储到控制系统的第一单片机中；

（2）当驾驶员通过按键输入信息，第一单片机检测到信息之后处理并转换为相应指令，发送到显示屏和检测系统的第二单片机；第二单片机接受到指令以后，控制激光管的开关；车辆需要更换驾驶员时，新的驾驶员根据自身的座高再次确定车辆与障碍物的安全距离，计算此时激光管发出的光线与水平面的夹角θ′，然后检测系统的第二单片机接受到指令以后，判断目前需要的夹角θ′与步骤（1）记录的夹角θ是否相等，如果不相等，则第二单片机控制电机的转动，从而调整激光管的角度达到目前需要的夹角θ′；

（3）驾驶员行驶车辆，当与障碍物的距离到达安全距离值时，激光管发出的光线被遮住，提醒驾驶员停车。

进一步地，所述执行装置为摄像头，安装在车头的车牌附近。

具有上述执行装置的检测装置的检测步骤如下：

（1）首先驾驶员根据自身的座高确定车辆与障碍物的安全距离，即激光管发出的光线被车头挡住落入驾驶员视线盲区时的距离；

（2）当驾驶员通过按键输入信息，第一单片机检测到信息之后处理并转换为相应指令，发送到显示屏和检测系统的第二单片机；第二单片机接受到指令以后，控制激光管的开关；

（3）激光管通电后，利用摄像头拍摄一张图片，关闭激光管，再利用摄像头拍摄一张图片，将两次得到图片做减法运算，再进行二值化处理，得到只剩激光照射部分有白色的图像，检测最低点，即可得到离车最近物体与车辆之间的距离；

（4）驾驶员行驶车辆，摄像头使用步骤（3）所述的图像处理技术自动判别距离，当与障碍物的距离到达安全距离值时，激光管发出的光线被遮住，提醒驾驶员停车。

本发明的有益效果是：

1、本发明能实现在车快要撞到墙体之前驾驶员能够准确获知距离信息，并且不受障碍物材料可以吸收声波，或者过于纤细而无法反射声波引起的盲区。

2、本发明根据不同的驾驶员能够自动调节激光角度，增强普适性，不会因为视力不同，坐高不同，车型车况不熟系等原因引起误判。

3、本发明相对于摄像头的设备而言，驾驶员处理的信息少，使用直观，而且成本低廉，适于普及和推广。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图，1:障碍物相对于车头运动方向，2:安全位置的障碍物，3:危险位置的障碍物，4-1、4-2、4-3:激光照射在相应障碍物上的位置，5:激光发射器安装位置，6:驾驶员可见区域，7:驾驶员视野盲区，8:驾驶员眼睛位置；

图2工作原理及数学证明；

图3实施例1的装置结构示意图；

图4激光管角度控制系统原理图，θ0为输入角度，θ0’为输出角度；

图5装置校准及使用流程图；

图6单片机工作模式图。

具体实施方式

如图1所示，当车头向障碍物2靠近时，可以认为是障碍物相对于车头在逐渐靠近，这个时候激光管5发出的激光面被障碍物所截，阻挡，在障碍物上的位置会顺着4-1，4-2，4-3的顺序逐渐下降，直到照射到危险位置的障碍物3，光线被车头盖住，从可见区域6落到视野盲区7，这是驾驶员看不见相应部分的光线。

如图2所示，以激光发射器所在点为原点，横向x、纵向y。设激光在障碍物上高度为Hq，遮挡视线的车盖的高度为Hz，驾驶员的坐高为Hr，障碍物离人的距离为Sq，车盖遮挡点为Sz，驾驶员与激光发射器的垂直距离为Sr，激光发射器仰角为φ，驾驶员的视线俯角为θ，则有：

因此，驾驶员坐高与需要激光的角度之间的关系可表示为：

障碍物上光点高度与障碍物距离之间的关系可表示为：

$\mathrm{Hq}=\mathrm{Hr}-\frac{(\mathrm{Sq}+\mathrm{Sr})\×(\mathrm{Hr}-\mathrm{Hz})}{\mathrm{Sr}-\mathrm{Sz}}---\left(3\right)$

实施例1

如图3所示，装置结构包括激光管，扩束镜，电机，减速轮系，光电管，编码盘，电机驱动电路，单片机，缓冲器，通信电路，用户输入输出硬件（包括1602液晶显示屏与按键）。在电机端加装光电门（在减速比为50，加装25格的光电门，检测精度就可以达到0.3度不到，满足使用）。

对于车内的控制系统单片机接的外设及连接有，串口（单片机自带），缓冲器连接到串口所在的P3.0，P3.1的IO口上，LCD1602液晶显示屏与独立按键分别接到相应的IO口上，对于车外的设备，激光管前水平安装扩束镜，将激光管安装到减速轮系的输出轴上。减速轮系接电机的输入轴，电机主轴的另外一段接编码盘，并且将光电管安装在码盘边缘，两者互不接触，电机的两电极接到电机驱动电路上，光电管的输出端和驱动电路的输入端接到第二单片机的相应IO口上。控制系统的单片机通过P3.0,P3.1的串口连接到检测系统单片机的P3.0,P3.1的串口上。

当驾驶员通过独立按键输入信息，相应IO口的电平即被拉低，中间的MCU检测到之后处理并转换为相应指令，发送到显示屏，同时发送到车外的检测系统；车外的检测系统的单片机接受到指令以后，控制激光管的开关，或者根据需要按图4的逻辑控制电机转到一定角度。激光经过扩束以后成一个光面，照射到障碍物上形成一道光线。

另外，可将控制系统与检测系统的通信部分修改为无线通讯，具体如下：串口发送的数据，改为使用SPI接口发送，车外的设备负责执行检测电机转角，进行图像处理，并将处理结果发送回车内的设备，车内设备负责控制指令的发送，实时的数据接受，人机交互。

如图4所示，控制系统每秒进行数百次计算，每次计算包括:①获取现在角度θ0的情况；②和当前的角度θ0’（使用电机转角除以减速比计算得到）进行比较；；③根据角度差为正，负或者是零来控制电机的正转反转或者不转。

装置校准及使用流程如图5所示：

1、校准：一次校准即可存储到EEPROM中，方便以后多人使用。

Step1：如果曾经校准过，调用曾经的存储记录；

Step2：如果没有，就需要标定校准，转向Step3；

Step3：将一张纸放在车头前面3处模拟在危险位置的障碍物；在车内按下按钮，车内单片机会使用异步串口UART发送指令到车外的控制器，单片机就会根据指令转动电机，并通过编码盘闭环检测电机是否转动到位，直到调整至车内驾驶员刚好看不见，按下按钮保存现在的角度到相应文件中。

2、使用

如图所示随着障碍物与车的相对位置靠近，5处发射的激光在相应障碍物上的位置会如图4-1，4-2，4-3的顺序逐渐下降直到看不见。这时候说明，障碍物和车的距离已经过近，应当停车。

状态机工作模式切换如图6所示，其具体控制规则如下：

Rule1：单片机扫描按键有无按下，若按下“上”或者“下”，则通过串口发送相应的指令给车外的单片机，由检测系统的单片机通过电机控制电路控制电机，在单片机驱动电机转动期间，单片机将关闭串口中断防止指令重叠造成错乱，直到动作完成再打开。

Rule2：在控制的同时，将当前执行状况和预期角度全部显示在1602液晶显示屏上，并且显示出当前电机的状态。

Rule3：如果检测到用户读取存档的操作的话就发送相应角度给执行控制单片机，让它自己判断旋转方向，并且做好实时检测工作，达到适当角度就停止。

实施例2

本发明的另一实施方案为：检测系统中的执行装置采用摄像头，可安装在车头车牌上端附近。这时检测装置不需要电机以及光电门检测装置，使得结构更为简单，而且可靠性更高。而且返回的信息直接是距离，更加直观和精确。另外，可以综合使用声，光等报警，使驾驶员不易分心。驾驶员不需要注意车外，减少工作量，而且可以布置在盲区。采用摄像头不会漏检测人眼不易观察的物体，使得不会存在死角，更加安全可靠。

Claims (5)

1.基于激光的车头与障碍物间距离检测装置，包括控制系统和检测系统，控制系统安装在车内，检测系统安装在车头前，其特征在于，控制系统包括第一单片机、缓冲器、显示屏与按键，显示屏与按键连接到第一单片机；检测系统包括第二单片机、激光管、扩束镜和执行装置，扩束镜水平安装在激光管的前面，激光管通过激光开关电路连接到第二单片机，执行装置与第二单片机连接；第一单片机与第二单片机之间采用有线通信或者无线通信。

2. 根据权利要求1所述的基于激光的车头与障碍物间距离检测装置，其特征在于，所述执行装置包括电机、减速轮系、光电管、编码盘和电机驱动电路，激光管安装在减速轮系的输出轴上，减速轮系接电机的输入轴，电机的输出轴一端接编码盘，光电管安装在编码盘边缘，并且与编码盘不接触；在电机输出轴另外一端加装光电门，电机的两电极接到电机驱动电路上，光电管的输出端和电机驱动电路的输入端接到第二单片机的相应IO口上。

3. 根据权利要求1所述的基于激光的车头与障碍物间距离检测装置，其特征在于，所述执行装置为摄像头，安装在车头的车牌附近。

4. 如权利要求2所述的基于激光的车头与障碍物间距离检测装置的方法，其特征在于，具体检测步骤如下：

（1）首先驾驶员根据自身的座高确定车辆与障碍物的安全距离，即激光管发出的光线被车头挡住落入驾驶员视线盲区时的距离，记录此时激光管发出的光线与水平面的夹角θ并存储到控制系统的第一单片机中；

（2）当驾驶员通过按键输入信息，第一单片机检测到信息之后处理并转换为相应指令，发送到显示屏和检测系统的第二单片机；第二单片机接受到指令以后，控制激光管的开关；车辆需要更换驾驶员时，新的驾驶员根据自身的座高再次确定车辆与障碍物的安全距离，计算此时激光管发出的光线与水平面的夹角θ?，然后检测系统的第二单片机接受到指令以后，判断目前需要的夹角θ?与步骤（1）记录的夹角θ是否相等，如果不相等，则第二单片机控制电机的转动，从而调整激光管的角度达到目前需要的夹角θ?；

（3）驾驶员行驶车辆，当与障碍物的距离到达安全距离值时，激光管发出的光线被遮住，提醒驾驶员停车。

5. 根据权利要求3所述的基于激光的车头与障碍物间距离检测装置的方法，其特征在于，具体检测步骤如下：

（1）首先驾驶员根据自身的座高确定车辆与障碍物的安全距离，即激光管发出的光线被车头挡住落入驾驶员视线盲区时的距离；

（2）当驾驶员通过按键输入信息，第一单片机检测到信息之后处理并转换为相应指令，发送到显示屏和检测系统的第二单片机；第二单片机接受到指令以后，控制激光管的开关；   

（3）激光管通电后，利用摄像头拍摄一张图片，关闭激光管，再利用摄像头拍摄一张图片，将两次得到图片做减法运算，再进行二值化处理，得到只剩激光照射部分有白色的图像，检测最低点，即可得到离车最近物体与车辆之间的距离；

（4）驾驶员行驶车辆，摄像头使用步骤（3）所述的图像处理技术自动判别距离，当与障碍物的距离到达安全距离值时，激光管发出的光线被遮住，提醒驾驶员停车。

Images