車輛前方之雷射掃瞄器於接近前車時的實驗

首先對雷射掃瞄器做一介紹，本實驗室購買雷射掃瞄器為施克光公司製作，

其型號為 LMS 221，光學式雷射掃瞄器，為紅外線雷射光，安全等級為 Class 1 經過 ANSI (American national standards institute，美國國家標準協會) 認證。這裡 安全等級 Class 1 是指所發射的雷射光束對人眼、身體不會造成危險，雷射掃瞄 器外型與特性如圖 3.1(a) (b) 所示，LMS 為 laser measurement system 的縮寫。

圖 3.1 (a) LMS 外型 (b)雷射光點直徑與相對距離

利用發射一脈衝為 3ns 的紅外線雷射光，發射與接收的雷射光以接近光速 ( )在空間中傳輸，因此不會造成都普勒效應(Doppler effect)，或許移動 中光的頻率、波長會發生變化，但是光速卻是不變的，利用 time - of - flight measurement 測得與障礙物間的距離，且其距離的精確度在 2cm 內。發射的光點 與相對應距離由圖 3.1 (b)所示，可以看出相對距離越遠光點直徑越大，因此在反 射接收上較不容易造成漏接。

s m / 10 3⋅ ⁸

此雷射掃瞄器有其自訂的通訊介面，而透過 PC 串列介面與雷射掃瞄器做溝 通，連續下 request for measured values telegram 命令，來得到雷射掃瞄器所得的 距離資料，並且也紀錄每兩筆資料時間間隔，利用此值作為下一步量測到相對距 離後相對速度的分析。

有關車前雷射掃瞄器的防撞實驗，安裝雷射掃瞄器在實驗用車輛前方，將車 子向一面牆壁行駛，作為模擬兩車間的相對距離與相對速度實驗，雷射掃瞄器安 裝在車輛前方如圖 3.2 所示，實驗用高爾夫電動車如圖 3.3 所示：

圖 3.2 實驗用高爾夫電動車 圖 3.3 裝置在車輛前方的雷射掃瞄器

在實驗方面，首先在 PC 端利用串列埠對雷射掃瞄器做資料存取，將相對距 離與每兩筆資料的時間差紀錄下來，利用 Matlab 分析車輛行進時與前車的相對 距離與相對速度變化，分別在兩種不同加速前進的情況下紀錄下來，如圖 3.4 的 狀況 1 與圖 3.5 狀況 2。

圖 3.4 狀況 1 透過雷射掃瞄器所得 圖 3.5 狀況 2 透過雷射掃瞄器所得 到的相對距離與相對速度 到的相對距離與相對速度

圖 3.4 為一開始距離牆壁 58m 處，緩慢往前開進到一定速度後，當距離牆壁 太近時為了避免碰撞，開始對剎車動作減速；圖 3.5 一開始距離牆壁 67m 處，很 快地加速到一固定速度後，直到覺得速度太快而距離牆壁太近，剎車做減速。相 對距離的數值是透過雷射掃瞄器直接輸出(因為誤差不大，所以在相對距離上不 作處理)，相對速度的取得是透過兩筆距離資料的差分(

t v d

∆

= ∆

∆ )。不過由圖 3.4 與 3.5 相對速度曲線，可以看出片段且不連續的速度有可能造成在防撞系統中，

因為瞬間速度突然加大(例如圖 3.4 與圖 3.5 中尖峰值)，造成系統認為可能發生 碰撞因而誤判，對防撞系統中兩車相對速度的條件判斷是相當不利的。

仔細的分析這個問題，可以看出相對速度突然變大在特定的時間點，但是整 體相對速度的曲線卻應該是平緩的，因此在相對速度的處理上，由於平均速度變 化不大，所以最理想的曲線就是平滑曲線，提出以一維的 Kalman filter 來對得到 相對速度資料做處理。

常見曲線平滑法(curve smooth)，有平均、加權平均法與最小平方誤差等。而

不論是平均法或加權平均法，都是直覺式並未特別考慮曲線本身趨勢，最小平方 誤差則是假設曲線本身具有某種數學特性，而 Kalman filter 的理論根據可以讓此 曲線的速度估測達到一平緩且平方誤差較小的基礎，下節對 Kalman filter 做一介 紹。