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

陸城富，許宜申，吳茂成

(蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，蘇州 215006)

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

陸城富，許宜申，吳茂成

(蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，蘇州 215006)

摘要:針對(duì)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(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)測試結(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。

關(guān)鍵詞:超聲波測距；斜面測距；二維雷達(dá)；語音報(bào)警

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[1]。

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)、超聲波水平測距模塊、超聲波地面監(jiān)測模塊、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。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

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)，使用溫度傳感器測量現(xiàn)場溫度，并送回單片機(jī)進(jìn)行聲速補(bǔ)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(shí)會(huì)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。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超聲波水平測距模塊設(shè)計(jì)

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)3~400 cm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(shí)，3個(gè)超聲波模塊以等間距方式排列,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10 μs的高電平，這樣超聲波測距模塊就可以給發(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[2]，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1 μs，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：

其中，T為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間，TH0與TL0分別表示單片機(jī)定時(shí)器0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)，超聲波水平測距電路中的3個(gè)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(huì)相互影響。超聲波水平測距模塊工作圖，如圖2所示。

圖2　超聲波水平測距模塊示意圖

2.2超聲波地面監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

圖3　反射波返回探頭的極限情況示意圖

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(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為可測距離，α為界面傾角，接收發(fā)射探頭距離之間的關(guān)系為[3]：

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)際斜面測量距離遠(yuǎn)大于此距離，所以實(shí)際測量中反向散射波成為回波的主要成分。超聲波測距時(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[4]：

其中，Is為散射回波；W0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；Δθ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。

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。

圖4　探頭安裝示意圖

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[5]?？紤]溫度對(duì)聲波速度影響時(shí)，聲波在空氣中的傳輸速率為：

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)境溫度測量，根據(jù)測得的溫度對(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、電路簡單、測量精度高等優(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。

圖5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

汽車掛倒檔時(shí)系統(tǒng)上電，首先完成單片機(jī)、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(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(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(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)測語音報(bào)警，否則直接進(jìn)行地面監(jiān)測語音報(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)測試

系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。其中，實(shí)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(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)確測量測距，最大誤差僅為1.10%，滿足倒車需求。同時(shí)，經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)均可及時(shí)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(bào)，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(shí)驗(yàn)可知，地面監(jiān)測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。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱利娜.基于單片機(jī)的超聲測距倒車?yán)走_(dá)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 23(8-2):110-111.

[2] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC-SR04的超聲波測距儀設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2011(10): 77-78.

[3] 黃天戌.超聲斜面測距的理論及試驗(yàn)研究[J].武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào), 1988 (6):41-49.

[4] 高克成.超聲測量物位中的一些聲學(xué)問題[J].自動(dòng)化儀表, 1998(11): 9-13.

[5] 王紅云.基于超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子元器件, 2008(8): 69-70.

(責(zé)任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-05-11)

Two-dimensional Reversing Radar System Based on Ultrasonic Ranging

Lu Chengfu,Xu Yishen,Wu Maocheng

(College of Physics,Optoelectronics and Energy,Soochow University,Suzhou 215006,China)

Abstract：In view of the problem of the ground obstacles can’t be detected by the existing one-dimensional reversing radar system,a two-dimensional reversing radar system based on ultrasonic ranging is designed.The level obstacles and the ground obstacles in the rear of the car are detected by two columns of ultrasonic probe.The theory of ground monitoring or inclined plane distance measuring is given in the paper.Voice prompt is given when obstacles appear.The experimental results show that the measured data is between 3~400 cm and the obstacles and pits on the ground could be detected with a high identification.

Key words:ultrasonic ranging;inclined plane distance measuring;two-dimensional radar;voice alarm

中圖分類號(hào):TB559

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A