高精度超聲倒車雷達的設計

摘要：為解決超聲倒車雷達指向性不足和存在探測盲區(qū)的缺點，設計使用步進電動機驅(qū)動小波束角超聲傳感器做扇形掃描探測的辦法。設計中使用步距角為7．2°的步進電動機驅(qū)動波束角為5°的超聲傳感器在每一個步進角度上進行測距。結合測距的角度和測得的距離就可得到準確的障礙物位置信息。并且，由于傳感器的有效探測角度大于電機的步進角度，所以每一次測距的探測范圍會相互交疊，消除了探測盲區(qū)的存在。實驗證明，使用步進電機驅(qū)動超聲傳感器進行探測，其準確度為傳統(tǒng)倒車雷達的6倍以上。
關鍵詞：超聲波測距；倒車雷達；探測盲區(qū)；步進電機；扇形掃描

倒車雷達，又稱為泊車輔助系統(tǒng)，是車輛泊車時的安全輔助裝置。倒車雷達系統(tǒng)能夠在泊車時以聲音、指示圖形或視頻影像等方式向駕駛員反映車輛后方的環(huán)境狀況，解除視覺死角中的潛在威脅，提高車輛停泊的安全性。目前倒車雷達的應用十分廣泛，絕大多數(shù)車輛都已經(jīng)將倒車雷達作為必不可少的標準配件。
目前的倒車雷達系統(tǒng)大多采用超聲波測距原理：通過超聲波測距裝置測取車輛后方的障礙物距離，以此為依據(jù)來判斷泊車環(huán)境。超聲波測距具有能量消耗緩慢、傳播距離遠的優(yōu)點，且不易受光線、煙霧、電磁等干擾的影響，可以在各類天氣下使用；并且利用超聲波測距原理簡單、易于實現(xiàn)，成本低廉、可靠性也好，因而廣泛應用于各類倒車雷達中。但是由于超聲波測距系統(tǒng)自身的原因，以往的倒車雷達只能夠模糊地判斷障礙物的大致位置，并不能準確地指示泊車的環(huán)境狀況，而且總會存在一定的探測盲區(qū)。因此，設計無盲區(qū)的高精度倒車雷達具有較高的應用價值。

1 超聲波測距的特性
1．1 超聲波測距的原理
超聲波測距，是依靠超聲傳感器向外發(fā)射超聲波，然后接收超聲波遇到障礙物后反射回來的回波，依據(jù)發(fā)射和接收的時間間隔t以及聲波的傳播速度v，來計算傳感器和障礙物之間的距離S。即

式(1)中v為聲波傳播速度。在空氣介質(zhì)中，聲波的傳播速度會受到溫度、濕度、氣壓等因素的影響，其中溫度對聲波速度的影響最大，其補償關系為：

由此可知，超聲波測距中，聲波的傳播速度和聲波發(fā)射與接收的時間間隔是判斷距離的兩個依據(jù)。如果測距環(huán)境的溫度變化不大，或者系統(tǒng)對測距結果不要求有很高的精度，就可以忽略溫度對聲波傳播速度的影響，以v=340m／s的恒定值作為聲波傳播的速度，在這樣的情況下，回波時間的長短就成為測距的唯一依據(jù)。
在超聲倒車雷達的設計中，由于系統(tǒng)的探測精度只要達到厘米級，所以一般不需考慮溫度補償，而只根據(jù)回波時間來判斷所測距離。
1．2 超聲波測距指向性的不足
超聲波測距裝置的核心部件是超聲傳感器，超聲傳感器是發(fā)射和接收超聲波的裝置。傳感器在發(fā)射超聲波時，能量并不是均勻分布的，而是存在波束角的概念。
超聲傳感器在發(fā)射超聲波時，沿傳感器中軸線的延長線(垂直于傳感器表面)方向上的超聲射線能量最強，而其他方向上的聲波能量逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長線為軸線，由此向外，至發(fā)射能量減少至半數(shù)(-3 dB)處，這個夾角被稱為超聲傳感器的波束角，如圖1所示。