基于超聲波測(cè)距的二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有一維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)無法探測(cè)地面路況的問題，設(shè)計(jì)了一款基于超聲波測(cè)距的二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。兩列超聲波探頭分別監(jiān)測(cè)車后方水平障礙物和車后方地面障礙物，對(duì)系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)即超聲波斜面測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車距在水平方向3～400 cm的準(zhǔn)確測(cè)距，同時(shí)對(duì)地面出現(xiàn)的障礙物與凹坑有較高辨識(shí)能力，系統(tǒng)可靠性高。

引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車作為便捷的交通工具已進(jìn)入越來越多的家庭，同時(shí)，由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多。倒車時(shí)，車內(nèi)、外的反光鏡可以擴(kuò)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(jì)，15%的汽車碰撞事故都是由倒車時(shí)汽車的后視能力缺乏造成的。

本文針對(duì)一維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的主要缺陷，設(shè)計(jì)了一款基于超聲波測(cè)距的二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可及時(shí)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(shí)所加入的智能語音報(bào)警功能，可及時(shí)提示駕駛員車后的具體情況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、超聲波水平測(cè)距模塊、超聲波地面監(jiān)測(cè)模塊、穩(wěn)壓電源模塊、溫度補(bǔ)償、智能語音報(bào)警模塊及液晶顯示電路等組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(dòng)完成初始化。由于聲速與溫度有關(guān)，使用溫度傳感器測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度，并送回單片機(jī)進(jìn)行聲速補(bǔ)償。超聲波水平測(cè)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(cè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生出回波，回波分別由超聲波水平測(cè)距模塊和超聲波地面監(jiān)測(cè)模塊接收。回波經(jīng)過前置放大、帶通濾波、電壓比較器后，由單片機(jī)檢測(cè)回波到達(dá)的時(shí)刻，并計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收所使用的時(shí)間(即渡越時(shí)間)，由此計(jì)算出車尾與障礙物的距離。距離實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，并通過智能語音報(bào)警模塊發(fā)出提示語音。

2 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 超聲波水平測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

采用超聲波收發(fā)一體測(cè)距模塊HC—SR04完成測(cè)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(cè)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(cè)范圍為軸向±30°的弧狀區(qū)域。

超聲波水平測(cè)距時(shí)，3個(gè)超聲波模塊以等問距方式排列，每個(gè)超聲波模塊的TRIG和ECHO引腳分別與單片機(jī)I/O口相連。單片機(jī)依次給TRIG引腳一個(gè)大于10μs的高電平，這樣超聲波測(cè)距模塊就可以給發(fā)射探頭8個(gè)40 kHz的周期電平，此時(shí)發(fā)射探頭發(fā)出超聲波。接收探頭檢測(cè)到回波后，ECHO引腳輸出一個(gè)與超聲波從發(fā)射到接收所用時(shí)間T相同的高電平，高電平時(shí)間T通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器0加以采集。當(dāng)單片機(jī)采用12 MHz的外部晶振時(shí)，每執(zhí)行一個(gè)機(jī)器周期則需要1μs，計(jì)數(shù)加1需要一個(gè)機(jī)器周期，所以通過定時(shí)器計(jì)算得到的時(shí)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(shí)間，THO與TLO分別表示單片機(jī)定時(shí)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(yùn)行時(shí)，超聲波水平測(cè)距電路中的3個(gè)超聲波測(cè)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(huì)相互影響。超聲波水平測(cè)距模塊工作圖，如圖2所示。

2.2 超聲波地面監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)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(huì)產(chǎn)生反射和散射現(xiàn)象。聲波向斜面入射時(shí)，反射波會(huì)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(cè)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(shí)，探頭只能在H小于32.9 mm時(shí)才能接收到反射波，實(shí)際斜面測(cè)量距離遠(yuǎn)大于此距離，所以實(shí)際測(cè)量中反向散射波成為回波的主要成分。超聲波測(cè)距時(shí)，對(duì)于具有一定傾斜角度的粗糙斜面，不計(jì)聲傳播衰減時(shí)的散射回波強(qiáng)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(qiáng)度與測(cè)量距離、入射波傾角有關(guān)。當(dāng)β=60°時(shí)，散射回波能量較β=90°時(shí)的情況減少不多，依舊能夠進(jìn)行回波檢測(cè)。

將3個(gè)超聲波模塊HC—SR04固定在系統(tǒng)尾部，與地面成60°夾角，在實(shí)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(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

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(duì)聲速影響較大。考慮溫度對(duì)聲波速度影響時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度測(cè)量，根據(jù)測(cè)得的溫度對(duì)聲速進(jìn)行校正，以減小環(huán)境溫度對(duì)聲速的影響。DS18B20所構(gòu)成的溫度補(bǔ)償電路具有體積小、電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，只需連接到單片機(jī)的一個(gè)I/O端口就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的雙向通信，測(cè)溫范圍為-55～125℃，在-10～85℃溫度范圍內(nèi)的精度可達(dá)±0.5 ℃。

2.4 智能語音報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

采用NV020多功能語音芯片作為語音報(bào)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(dòng)8 Ω/0.5 W的揚(yáng)聲器，具有高音質(zhì)、低噪聲的特點(diǎn)，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(shí)，只需通過單片機(jī)尋址所存儲(chǔ)的提示語音即可實(shí)現(xiàn)調(diào)用播放，發(fā)送不同命令碼可實(shí)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(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以Keil C51為集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言模塊化方式進(jìn)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(shí)系統(tǒng)上電，首先完成單片機(jī)、超聲波測(cè)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(duì)當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以實(shí)現(xiàn)聲速校正。然后超聲波水平測(cè)距模塊檢測(cè)與車后障礙物的水平距離，當(dāng)檢測(cè)到的水平距離小于系統(tǒng)所設(shè)定的安全距離時(shí)，立即啟動(dòng)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(shí)，超聲波地面監(jiān)測(cè)模塊測(cè)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(cè)到的地面距離發(fā)生突變，則判斷語音報(bào)警模塊是否正在播放水平距離提示報(bào)警語音，若符合判斷，則立即停止水平提示報(bào)警語音的播放改為進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)語音報(bào)警，否則直接進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)語音報(bào)警。若沒有發(fā)生突變，則不進(jìn)行語音報(bào)警提示，而將所檢測(cè)到的倒車時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高倒車的安全性。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括水平測(cè)距與地面監(jiān)測(cè)兩大部分。系統(tǒng)水平測(cè)距的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。其中，實(shí)際值為卷尺所測(cè)量的超聲波探頭與墻壁之間的距離，測(cè)量值為所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的LCD顯示值。由表1可知，系統(tǒng)可在3～400 cm實(shí)現(xiàn)水平距離準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)距，最大誤差僅為1.10%，滿足倒車需求。

同時(shí)，經(jīng)過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)均可及時(shí)監(jiān)測(cè)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(bào)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

結(jié)語

通過斜面測(cè)距理論分析以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，地面監(jiān)測(cè)模塊方向與地面夾角為60°時(shí)，滿足系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性要求。

實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明：結(jié)合所設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償算法，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水平精確測(cè)距、地面凸起或凹坑的精準(zhǔn)識(shí)別以及提示語音警報(bào)，且可在LCD屏上實(shí)時(shí)顯示水平與地面監(jiān)測(cè)距離。與傳統(tǒng)的一維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)相比，提高了倒車安全性，且該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路同樣適用于盲人導(dǎo)航、機(jī)器人定位等場(chǎng)合，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。