基于超聲波測距的二維倒車雷達系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對現(xiàn)有一維倒車雷達系統(tǒng)無法探測地面路況的問題，設(shè)計了一款基于超聲波測距的二維倒車雷達系統(tǒng)。兩列超聲波探頭分別監(jiān)測車后方水平障礙物和車后方地面障礙物，對系統(tǒng)的地面監(jiān)測即超聲波斜面測距給出了理論依據(jù)，若車后方有障礙物，則系統(tǒng)發(fā)出語音提示。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)車距在水平方向3～400 cm的準(zhǔn)確測距，同時對地面出現(xiàn)的障礙物與凹坑有較高辨識能力，系統(tǒng)可靠性高。

引言

近年來，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車作為便捷的交通工具已進入越來越多的家庭，同時，由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多。倒車時，車內(nèi)、外的反光鏡可以擴展駕駛員的視野，但是汽車后方的障礙物，以及由于高度不足，通過反光鏡看不到的障礙物都可能處于駕駛員的視野死角中。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，15%的汽車碰撞事故都是由倒車時汽車的后視能力缺乏造成的。

本文針對一維倒車雷達系統(tǒng)的主要缺陷，設(shè)計了一款基于超聲波測距的二維倒車雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)可及時辨別汽車后方凸起、懸崖以及后方處于駕駛員盲區(qū)內(nèi)的其他障礙物，同時所加入的智能語音報警功能，可及時提示駕駛員車后的具體情況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由STC89C52單片機、超聲波水平測距模塊、超聲波地面監(jiān)測模塊、穩(wěn)壓電源模塊、溫度補償、智能語音報警模塊及液晶顯示電路等組成，系統(tǒng)總體設(shè)計原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理如下：汽車掛倒檔，系統(tǒng)通電啟動完成初始化。由于聲速與溫度有關(guān)，使用溫度傳感器測量現(xiàn)場溫度，并送回單片機進行聲速補償。超聲波水平測距模塊從汽車尾部向水平方向發(fā)射超聲波，超聲波地面監(jiān)測模塊從汽車尾部方向發(fā)射超聲波(安裝角與水平面成60°)。超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物時會產(chǎn)生出回波，回波分別由超聲波水平測距模塊和超聲波地面監(jiān)測模塊接收?；夭ń?jīng)過前置放大、帶通濾波、電壓比較器后，由單片機檢測回波到達的時刻，并計算超聲波從發(fā)射到接收所使用的時間(即渡越時間)，由此計算出車尾與障礙物的距離。距離實時顯示在液晶顯示屏上，并通過智能語音報警模塊發(fā)出提示語音。

2 主要硬件模塊設(shè)計

2.1 超聲波水平測距模塊設(shè)計

采用超聲波收發(fā)一體測距模塊HC—SR04完成測距任務(wù)，此模塊包括超聲波發(fā)射探頭、接收探頭、控制電路，能夠?qū)崿F(xiàn)3～400cm距離測量。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波頻率為40 kHz，波束角為30°，探測范圍為軸向±30°的弧狀區(qū)域。

超聲波水平測距時，3個超聲波模塊以等問距方式排列，每個超聲波模塊的TRIG和ECHO引腳分別與單片機I/O口相連。單片機依次給TRIG引腳一個大于10μs的高電平，這樣超聲波測距模塊就可以給發(fā)射探頭8個40 kHz的周期電平，此時發(fā)射探頭發(fā)出超聲波。接收探頭檢測到回波后，ECHO引腳輸出一個與超聲波從發(fā)射到接收所用時間T相同的高電平，高電平時間T通過單片機內(nèi)部定時器0加以采集。當(dāng)單片機采用12 MHz的外部晶振時，每執(zhí)行一個機器周期則需要1μs，計數(shù)加1需要一個機器周期，所以通過定時器計算得到的時間T(單位s)為：

T=(TH0×256+TL0)×10-6 (1)

其中，T為超聲波從發(fā)射到接收所用的時間，THO與TLO分別表示單片機定時器O的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器值。探頭與障礙物間的距離S為：

系統(tǒng)運行時，超聲波水平測距電路中的3個超聲波測距模塊依次發(fā)出超聲波，間隔至少大于60 ms，以保證超聲波回波不會相互影響。超聲波水平測距模塊工作圖，如圖2所示。

2.2 超聲波地面監(jiān)測模塊設(shè)計

超聲波測距的關(guān)鍵是探頭要接收到回波，探頭發(fā)出的聲波沿直線傳播，遇到不同介質(zhì)的界面會產(chǎn)生反射和散射現(xiàn)象。聲波向斜面入射時，反射波會沿著反射角方向傳播，可能并不指向探頭。圖3是反射波返回探頭的極限情況。

該情況下，H為可測距離，α為界面傾角，接收發(fā)射探頭距離之間的關(guān)系為：

當(dāng)界面傾角α為30°、O1O2為38 mm時，探頭只能在H小于32.9 mm時才能接收到反射波，實際斜面測量距離遠大于此距離，所以實際測量中反向散射波成為回波的主要成分。超聲波測距時，對于具有一定傾斜角度的粗糙斜面，不計聲傳播衰減時的散射回波強度為：

其中，Is為散射回波;Wo為超聲波探頭發(fā)射功率;v為軸向集中系數(shù)，其與輻射面的形狀有關(guān)，如為圓形輻射面，則v=π·d/λ;H為探頭到斜面的垂直距離;△θ為波束角;β

為入射波傾角。

由式(5)可知：在探頭發(fā)射功率、軸向集中系數(shù)以及波束角固定不變的情況下，散射回波強度與測量距離、入射波傾角有關(guān)。當(dāng)β=60°時，散射回波能量較β=90°時的情況減少不多，依舊能夠進行回波檢測。

將3個超聲波模塊HC—SR04固定在系統(tǒng)尾部，與地面成60°夾角，在實際的汽車倒車系統(tǒng)中，此模塊可以安裝在車尾的合適處。探頭安裝側(cè)視圖和正視圖如圖4所示。[!--empirenews.page--]

2.3 溫度補償模塊設(shè)計

超聲波在空氣中以縱波方式傳播，其傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成分的影響，其中溫度對聲速影響較大?？紤]溫度對聲波速度影響時，聲波在空氣中的傳輸速率為：

V=331.5+0.606T (6)

其中，V為聲速，T為攝氏溫度。

采用美國DALLAS公司數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)對環(huán)境溫度測量，根據(jù)測得的溫度對聲速進行校正，以減小環(huán)境溫度對聲速的影響。DS18B20所構(gòu)成的溫度補償電路具有體積小、電路簡單、測量精度高等優(yōu)點，只需連接到單片機的一個I/O端口就能實現(xiàn)與單片機之間的雙向通信，測溫范圍為-55～125℃，在-10～85℃溫度范圍內(nèi)的精度可達±0.5 ℃。

2.4 智能語音報警模塊設(shè)計

采用NV020多功能語音芯片作為語音報警模塊的核心元件。該芯片工作電壓范圍為2.7～3.6 V，內(nèi)建16位D/A音頻輸出，自帶內(nèi)部濾波音頻功放，可以直接驅(qū)動8 Ω/0.5 W的揚聲器，具有高音質(zhì)、低噪聲的特點，可構(gòu)成按鍵控制模式、一線串口連接以及三線串口連接3種工作方式。使用時，只需通過單片機尋址所存儲的提示語音即可實現(xiàn)調(diào)用播放，發(fā)送不同命令碼可實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)、語音播放、暫停等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計以Keil C51為集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言模塊化方式進行系統(tǒng)應(yīng)用程序編寫，軟件流程如圖5所示。

汽車掛倒檔時系統(tǒng)上電，首先完成單片機、超聲波測距模塊、數(shù)字溫度傳感器及LCD顯示屏的初始化設(shè)置，如具體工作模式、顯示方式等。然后，利用溫度傳感器對當(dāng)前環(huán)境溫度進行實時采集以實現(xiàn)聲速校正。然后超聲波水平測距模塊檢測與車后障礙物的水平距離，當(dāng)檢測到的水平距離小于系統(tǒng)所設(shè)定的安全距離時，立即啟動水平距離提示語音，提醒駕駛?cè)藛T立即停止繼續(xù)倒車。

同時，超聲波地面監(jiān)測模塊測量汽車尾部與地面成60°處的距離，并判斷該距離是否發(fā)生突變。若檢測到的地面距離發(fā)生突變，則判斷語音報警模塊是否正在播放水平距離提示報警語音，若符合判斷，則立即停止水平提示報警語音的播放改為進行地面監(jiān)測語音報警，否則直接進行地面監(jiān)測語音報警。若沒有發(fā)生突變，則不進行語音報警提示，而將所檢測到的倒車時的水平與地面距離顯示在LCD顯示屏上，以便駕駛?cè)藛T獲取相關(guān)的實時數(shù)據(jù)，提高倒車的安全性。

4 實驗測試

系統(tǒng)性能實驗測試，包括水平測距與地面監(jiān)測兩大部分。系統(tǒng)水平測距的實驗數(shù)據(jù)如表1所列。其中，實際值為卷尺所測量的超聲波探頭與墻壁之間的距離，測量值為所設(shè)計系統(tǒng)中的LCD顯示值。由表1可知，系統(tǒng)可在3～400 cm實現(xiàn)水平距離準(zhǔn)確測量測距，最大誤差僅為1.10%，滿足倒車需求。

同時，經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)均可及時監(jiān)測出所設(shè)定的10 cm以上的凸起及凹坑，并給出相應(yīng)提示語音警報，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

結(jié)語

通過斜面測距理論分析以及相關(guān)實驗可知，地面監(jiān)測模塊方向與地面夾角為60°時，滿足系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和實時性要求。

實際運行測試結(jié)果表明：結(jié)合所設(shè)計的溫度補償算法，系統(tǒng)可實現(xiàn)水平精確測距、地面凸起或凹坑的精準(zhǔn)識別以及提示語音警報，且可在LCD屏上實時顯示水平與地面監(jiān)測距離。與傳統(tǒng)的一維倒車雷達系統(tǒng)相比，提高了倒車安全性，且該系統(tǒng)設(shè)計思路同樣適用于盲人導(dǎo)航、機器人定位等場合，具有較高的實際應(yīng)用價值。