尹训锋 冯义
91917部队 北京 102401
摘要：利用FPGA并行处理的优点，设计了通信天线塔防碰撞激光雷达数据采集系统，能够并行实现多路LMS激光雷达信息的实时高速采集。FPGA和监控计算机通过光电转换系统能够远程实现对激光雷达数据的实时采集处理和控制。实验表明，该系统能够满足系统对雷达数据的实时性要求。
关键词 ：防碰撞系统，激光雷达，数据采集，FPGA
引言
随着我国基础设施的不断完善，车辆以及大型生产机械的广泛使用，使得信号塔、大型天线、桥梁以及仓储仓库等一些重要设施被碰撞的几率大幅增加，这些重要设施防碰撞除必须的隔离和警示标志外，采用传感器对周围环境主动进行感知，提前向周边的人、机械和车辆提供预警，也是防碰撞的重要手段。激光雷达具有足够大的覆盖视场和较高的数据采集速率，是一种重要的环境感知传感器，能提供实时的外部环境信息，是环境参数获取、导航和避障的重要传感器。
基于激光雷达的防碰撞系统需同时采集和处理多路雷达信息，雷达信息的并行采集和数据的快速处理是防碰撞系统设计的关键。本文针对位于道路周边的重要通信天线设施，充分利用FPGA具有丰富的I/O接口、可并行实现的优点，基于FPGA设计了激光雷达防碰撞数据采集系统。
1 激光雷达工作原理
激光雷达的基本工作原理是测量从发送激光束到接收反射光之间的时间间隔，反射光是从被测物体反射来的，时间间隔和被测距离成正比。对于二维激光雷达，不同的扫描角度只有一个扫描点，不会产生重叠区域，激光扫描点按照角度增量的顺序排列。激光雷达扫描范围固定不变，在相同角度分辨率下，扫描点数目固定不变。若激光雷达到扫描点P的扫描距离为λ，雷达以固定分辨率进行扫描，扫描区域为θ，则在被扫区域内P点可由P(λ, θ)唯一表示，如图1所示。
图1 激光雷达测量图
2数据采集系统设计实现
激光雷达按照一定顺序安装在被防护天线周边，感知天线周围的环境信息，数据采集控制系统采用FPGA作为核心器件，激光雷达数据采集系统整体硬件结构如图2所示。激光雷达数据以串口的形式提供，传输速率为500K波特。激光雷达数据通过电平匹配电路接入FPGA。FPGA以500K波特的速率并行采集多路激光雷达数据，同时生成地址译码信号，并在地址译码信号的作用下将数据存入FPGA自带的Block RAM，数据采用乒乓存储的形式，每路数据空间为2048×8bit（乒乓存储器各1024×8bit），占用1个Block RAM。
本文设计的数据采集系统通过接口转换电路转换成LAN口，经光电转换网络和计算机相连，实现计算机对激光雷达数据的实时采集、控制和状态监控。
图2 系统组成原理图
LMS激光雷达在计算机控制下工作， LMS激光雷达控制命令和响应数据具有固定的格式，由头数据、LMS地址数据、数据长度、控制响应命令和校验数据构成，校验数据采用美国IBM SDLC标准。激光雷达控制命令包括复位、配置、测量以及监控等控制命令。本文设计的数据采集系统收到计算机发送的配置命令后，表示计算机对激光雷达进行控制，数据采集系统解析出需要控制的激光雷达地址和控制命令长度，然后转发具体的控制命令至激光雷达，完成控制。激光雷达通过应答（response）控制命令实现复位、测量和状态监控等控制请求。
LMS激光雷达数据的并行采集流程如图3所示。数据采集过程主要包括雷达数据接收，帧头检测，数据校验和乒乓存储。数据采集系统检测到数据帧头数据后开始采集数据，每位数据采集完成的同时产生地址译码信号，数据采集系统在地址译码信号下降沿将采集到得数据存入由地址译码信号生成的地址。FPGA采集完雷达数据后，自动解析出雷达数据长度。通过执行CRC校验程序，即可实现接收雷达数据的CRC校验，将计算得到的校验值和雷达发送的校验值进行比较，即可知道采集的数据是否正确。
图3激光雷达数据采集实现流程
本系统采用乒乓存储的形式存储雷达数据。如雷达数据通过CRC校验，产生数据采集完成标志，同时置位乒乓存储标志，以便下次采集数据存入下一个地址；如果采集数据未通过CRC校验，乒乓存储标志不变，下次采集数据将覆盖本次采集数据，未通过校验数据自动失效。
3 实时数据采集
本文设计的数据采集系统通过光电转换系统，与天线场激光雷达相连，系统启动后，由监控计算机通过数据采集控制系统向激光雷达发送复位命令，激光雷达工作在交织模式下的连续测量模式，此模式下激光雷达为全扫描，扫描角度为0°~180°，扫描间隔为1°。激光雷达通过180°全扫描，不断测量天线周边的环境，图4所示的是有车辆经过时，激光雷达扫描到行驶车辆与天线塔的距离，根据激光雷达在天线塔附近上的安装角度，即可实时计算出塔体和行驶车辆间的车距，并根据距离发出应用的预警提示。
图4激光雷达距离测量图
4 结束语
激光雷达是环境感知系统的关键器件，激光雷达数据的实时采集和处理是保证天线塔周边环境感知和预警的重要前提条件。本文充分利用FPGA的优点，设计了基于FPGA的激光雷达数据采集系统，能够同时实现多部激光雷达的实时数据采集，实时解算通信塔周边环境，能够根据解算得到的环境信息，及时向天线塔周边的行人、车辆发出预警。
参考文献：
[1]赵一兵,王荣本等. 基于激光雷达的无人驾驶车前方障碍物检测[J]. 交通与计算机.2007 (2)：9-13
[2]武萌,赵汗青,尹训锋.无人车激光雷达高速数据采集系统设计[J]. 计算机测量与控制.2013(3):819-822
[3]胡瑜.汽车防碰撞系统的应用与研究[J] 机械工程与自动化.2010(4): 214-216
[4]刘俊亮, 刘猛等. 高速公路汽车雷达测距防撞装置的研制[J].科技信息:科学教研. 2008 (16) :433+462
[5]杨明,王宏等.基于激光雷达的移动机器人环境建模与避障.清华大学学报（自然科学版）.2000(7): 112-116
论文作者:尹训锋,冯义
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/24
标签：激光论文; 数据论文; 天线论文; 数据采集论文; 实时论文; 系统论文; 采集系统论文; 《防护工程》2018年第8期论文;