基于红外技术的前车距离测量方法

摘 要：本课题运用红外线技术对前方目标车辆进行检测，以获取本车与前方车辆的相对距离，从而对跟进车的行驶状态进行实时控制，实现无人驾驶的震源车车队。本文主要通过卡塞格林光学系统对前车尾气的红外信号进行采集，利用热敏电阻探测器将采集到的红外信号转换成电压信号，在对转换后的电压信号进行相应的处理，如信号放大、滤波与检波等处理，将处理后的信号与系统内的参数进行比较得出与前车的相对距离，随后由单片机通过前车距离值的判断并对跟进车的速度进行实时控制，以实现利用红外技术对前车距离的检测，在勘探技术中实现无人驾驶的震源车车队。

关键词：红外测距；汽车防撞；后车跟进；方法分析

中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-02

在石油勘探技术中，为了节省人力，提高生产效率，需要研究一种无人驾驶的震源车车队。后车的行走路线，需要根据检测到的前车信息来决定，为了安全跟行，需要进行前车信息检测，方便车队正常安全运行。为此，对于前车的距离测量成为了首要任务。通过红外技术可以实现前车距离的测量，进而测出前车速度等其他信息，计算机系统根据这些信息决定后车的行驶速度，使车队安全行进。红外测距传感器不仅可以利用红外信号遇到不同距离的障碍物产生不同强度的红外反射进行障碍物的远近检测的原理[1]，也可以根据前车红外成像显示距离的原理[2]，还可以根据红外信号传播的时间确定前方车距的原理[3]，基于每种原理，都有许多不同的测量方法，在此论述各方法的优缺点，弥补不足，确定测量方法。因此，选取高精度、高效率的测量方法具有一定的研究意义。

一、红外技术测前车距离的系统设计方案和红外信号的采集

（一）红外技术测前车距离的系统设计方案

汽车尾气的温度可达600℃～700℃，具有很高能量的红外辐射，利用此能源，将前车尾气的红辐射进行功率放大，由发射探头发射，再由后车的红外接收装置接收，接着对红外信号进行处理，并由光电探测器进行能量转换[4]，将红外线的热能转换成电信号，再由信号放大器将信号放大，通过中央处理器进行处理，得出距离，由显示器显示，并由控制器控制并调整车速，当距离在20m～30m之间时，震源车匀速跟进；当距离小于20m时，震源车减速跟进直至距离在20m～30m之间；当距离大于30m时，或显示器无距离显示时，震源车要加速前进直至距离在20m～30m之间。

（二）光学系统对前车红外数据的采集

光学系统的作用是汇聚在其视场范围内目标的红外辐射能量，然后将其汇聚的能量传递给下一个工作单元。光学系统的视场大小由光学零件及其位置确定[5]。由于测温距离远，因此本此研究的测距仪采用了卡塞格林光学系统。由于该系统具有能量损失少、组合焦距长、成像质量好和便于实现同光轴瞄准等优点。因而能满足远距离的测量要求。

（三）热敏电阻传感器对前车红外数据的转换

光的总强度跟光的单个光子的能量和光子的总数有关。光在传播过程中，不断会有散射和吸收等的损耗，这样的损耗不是损耗单一光子的能量，而是损耗光子数目，使光的总强度减弱。

根据量子光学可知，每个光子的能量与光的频率成正比关系，即

热敏电阻传感器是在外加的偏压下工作的，热敏电阻在工作时通常接成如图1所示的桥式电路[6]。

图1 桥式电路

图1中虚线所围部分是由二个性能相同的薄片电阻组成的传感器，其中Ra作为敏感源来接收红外辐射；将Rc遮蔽起来，Rc是用来补偿因环境温度的变化而引起的电阻变化，因此Rc称为补偿源。通常Ra的阻值与Rc的阻值相等。偏压中心接地，对传感器对称施加。

当元器件受到热辐射时敏感元件的温度会升高，其电阻值也随之改变。根据器件在工作过程的热平衡方程式，可建立红外辐射能量与电阻值之间的变化关系。

二、前车红外数据信息的转换处理及控制

（一）前车红外信息转换为电压信号后的处理

1.信号的前置放大

该系统的前置放大电路选用了两个低噪声的运算放大器MAX4305和一个低噪声的晶体管BFS483。该电路用一个低噪声的运算放大器MAX4305设计了一个二阶低通滤波器，用另一个低噪声的运算放大器MAX4305设计了一个一阶的高通滤波器，用低噪声的晶体管BFS483设计了一个电压跟随器[7]。光信号经过热敏电阻之后转变成电流信号，电流信号流经转换电路之后变成电压信号，电压信号又经过由低通滤波器和高通滤波器构成的带通滤波器之后，有效地将频带宽度之外的噪声滤掉，该电路保留并放大了有用信号，最后电压跟随器放大有用电压信号，保证了信号的最大输出幅度。

2.信号的滤波处理

将放大电路的输出电压信号直接经过AD采样后输入计算机。可见，由于周围存在噪音和干扰，从原始信号的数据中难以辨析出被测物所产生的脉冲信号，因此，必须对放大后的原始信号进行滤波处理[8]。

3.信号的检波处理

检波器或检波电路的作用就是从调幅信号中提取出低频信号。它的工作过程恰好与调幅过程相反。检波处理的过程就是一个频率变换的过程，其过程也要使用非线性的元器件来实现。常用的元器件有二极管和三极管。此外为了取出低频有用的信号，还必须使用滤波器滤除信号的高频分量，所以检波电路通常包括滤波器和非线性元器件两大部分[9]。

该系统电路选用了电子开关型的检波器进行检波处理，该方法与模拟乘法器型的检波器相比具有电路简单、运行速度快、高精度、没有非线性等优点。

输入信号是光敏电阻传感器经主放大器所放大的输出信号V4，V5是STM32的PWM的端口发出的，经过移相除理之后用于斩波调制的脉冲信号。V6与V5为反相电压，是通过反相器来实现。R1=R2=R3=R4=R6=1/2R5，当电压V5为高电平输入时，Q2导通，则OP07的同相端接地。当V5为低电平输入时，Q2截止，则OP07反相端接地，并输出电压。

经上述电路后信号中还混有噪声，主要通过低通滤波器来消除这些噪声。

（二）前车红外测距系统电路的温度补偿处理

由于各元器件会受到环境温度所影响，因此需要对系统进行温度补偿用以减小测量误差，本系统所采用的补偿元件是AD592集成温度传感器，该传感器具有高精度、输入的范围宽、较小的非线性误差等优点。系统中有可调电阻是用来校准输出电压，当环境温度为0时输出电压也为0。还有用来校准温度系数的电阻，经全部被校准后，输出电压是温度系数与环境温度的乘积，将其接到STM32的ADC端口的PC0。

（三）将前车车距数据传入AT89C2051单片机进行实时控制

AT89C2051是由ATMEL公司所推出的一种小型的单片机。其主要特点为该单片机采用了Flash存贮器技术，并降低了制造的成本。其软件、硬件与MCS-51可以完全兼容，并且很快的就被中国广大用户接受了，其程序的可擦写特性，使得开发与试验比较容易[10]。

1.引脚

AT89C2051共有20条引脚，其引脚如图2所示[11]：

在引脚的驱动能力上面，AT89C2051具有很强的下拉能力，P1，P3口的下拉能力均可达到20mA。相比之下，AT89C51/AT87C51端口的每个引脚的下拉能力最大为15mA。但是9个引脚的电流之和限小于81mA。这样，每个引脚的电流均值为9mA。随着AT89C2051的驱动能力增强，即可直接驱动LED数码管了。

在2051的内部设有一个模拟信号的比较器，是用来增加模拟量的输入，且同P1.0与P1.1口连接，最后在P3.6的对应寄存器上存入比较的结果。

2.电源

AT89C2051有很宽的工作电源电压，可为2.7～6V，当工作电压是3V时，电流值相当于在6V工作时的1/4。89C2051在12Hz工作时，此时的动态电流值为5.5mA，空闲态下应为为1mA，掉电状态下时仅为20nA。所以小功耗适于电池供电的微型控制系统。

3.存储器

AT89C2051片内的Flash程序存储器是2k字节的，RAM是128字节的，同80C31的结构很类似。2051的内部是在全静状态下工作的，因此工作的时钟范围允许在0～20MHz内，也就是说，即使在低速工作的状态下也不破坏RAM里的内容。相比而言，在最低速工作时，一般的8031的时钟为3.5MHz，因为RAM处于动态刷新的状态下。不允许89C2051通过外部总线来扩充程序/数据存储器，因此没有ALEPSEN、WR、RD等引脚。

三、结束语

红外技术的应用越来越广泛，尤其是红外线技术对前车信息的检测是当前研究的热点。很多车载红外测距仪已经上市及应用了，但是，还没有研究出应用在无人驾驶的勘探车队中的车载红外测距仪，因此本文主要是针对基于红外技术测前车距离的研究。本文对相关红外测距技术进行了深入系统的查询与研究，将红外测距技术运用到了前车车距的检测，来实现对前车车距的测量与识别，从而实现对后车跟进速度的控制，实现在勘探工作中应用无人驾驶的震源车车队，因此可以减少人力资源。

车辆检测跟踪和车距检测是前车信息的重要部分，运用红外技术对它进行检测。本课题主要根据红外测温仪的测量方法来构思前车红外测距的方法研究，测温仪主要是运用了一个转换器件对红外信号进行光电转换，转换成可以测量和处理的电信号，同样，本课题也运用了此原理，选择了热敏电阻传感器作为转换器件，将红外信号的热能量转换成电信号。本课题研究的利用外线技术测量前车车距，主要是通过探测器对红外信号的转换，以及在对转换后的信号进行处理，处理的过程有信号的放大、滤波和检波，以及温度补偿处理，随后跟进车的速度是由单片机来控制的。利用红外技术测前车距离来实现无人驾驶的震源车车队绝对是一个有前景而有价值的研究方向。

参考文献：

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[作者简介]王刚（1987.10-），男，天津人，控制工程硕士在读，从事计算机管理与控制综合自动化研究。