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

摘要：針對現(xiàn)有一維倒車?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)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(dá)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(yuǎn)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。