汽車倒車測(cè)距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張彭洋

一、研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車越來越普及，導(dǎo)致城市交通擁堵。最重要的一點(diǎn)是，有些司機(jī)在停車時(shí)不小心，或者對(duì)障礙物的距離沒有準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，導(dǎo)致發(fā)生摩擦或碰撞。如果駕駛員能準(zhǔn)確知道障礙物的距離和位置，就可以及時(shí)采取措施避免事故的發(fā)生。由此催生了許多安全系統(tǒng)，目前對(duì)主動(dòng)安全系統(tǒng)的研究主要集中在測(cè)距方面。本人設(shè)計(jì)的汽車倒車安全報(bào)警系統(tǒng)能有效地提醒司機(jī)離障礙物有多遠(yuǎn)，并能手動(dòng)設(shè)定報(bào)警距離，能有效提高倒車安全性。

汽車倒車的安全報(bào)警系統(tǒng)。它被用作停車輔助設(shè)備，可以被稱為簡(jiǎn)單的倒車?yán)走_(dá)。倒車安全報(bào)警系統(tǒng)的主要功能是利用超聲波測(cè)距原理，倒車時(shí)從安裝在后保險(xiǎn)杠上的超聲波傳感器發(fā)出超聲波。該裝置向駕駛員提供在視線死角處物體的信息和警告，告知駕駛員周圍障礙物，使駕駛員更清楚地了解周圍情況，對(duì)駕駛員的啟動(dòng)、停車、倒車等有很大幫助。提高了行車安全性。

二、研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀

信息感知、動(dòng)態(tài)識(shí)別、控制技術(shù)和提高主動(dòng)安全性是車輛控制與安全系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容。在政府的支持下，世界各大汽車公司和大學(xué)正在開展這方面的研究和工作。為了實(shí)現(xiàn)交通部提出的“先進(jìn)安全汽車（ASV）計(jì)劃”，豐田、日產(chǎn)、本田、三菱等日本主要汽車制造商致力于安全汽車新技術(shù)的研發(fā)。

與發(fā)達(dá)國家相比，中國汽車防撞系統(tǒng)的研究和發(fā)展還不夠成熟。近年來，一些研究機(jī)構(gòu)、學(xué)院和公司開展了這項(xiàng)研究。如倒車?yán)走_(dá)，已經(jīng)在車輛上得到了普遍的安裝和使用，但目前國內(nèi)生產(chǎn)的中距離測(cè)量系統(tǒng)一般都達(dá)不到要求，表現(xiàn)為距離最短、測(cè)距誤差大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速公路的安全距離要求，需要進(jìn)一步研究。當(dāng)前，中國的汽車行業(yè)發(fā)展很快，機(jī)動(dòng)車數(shù)量增加迅速，由此帶來的停車問題、交通隱患日漸突出，雖然汽車本身配有倒車鏡，但也難免會(huì)有視野盲區(qū)，所以汽車倒車報(bào)警器的市場(chǎng)前景十分可觀。

三、研究的具體工作

本次設(shè)計(jì)的汽車倒車安全報(bào)警系統(tǒng)，主控制芯片為AT89C51型號(hào)單片機(jī)，利用超聲波測(cè)距的原理，測(cè)出車尾和物體之間的距離，并將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。當(dāng)達(dá)到極限距離時(shí)，語音模塊提示相關(guān)的報(bào)警信息，提醒司機(jī)及時(shí)剎車。同時(shí)還可以通過按鍵控制來設(shè)置報(bào)警距離。該設(shè)計(jì)采用國內(nèi)生產(chǎn)廠家的常用元件，成本不高但性能相對(duì)可靠，有利于推廣。而且超聲波測(cè)距的方法快速準(zhǔn)確，為司機(jī)的倒車安全提供了重要保障，實(shí)用性極高。

對(duì)主控芯片的選擇，市場(chǎng)上提供了兩種方案：

方案一：使用AT89C51型號(hào)單片機(jī)。該單片機(jī)繼承了其他51系列單片機(jī)低功耗、性能高的特點(diǎn)，采用CMOS8位控制器。而Flash存儲(chǔ)有8K，可收錄大量程序，具有很多傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，編寫方式更靈活，效率更高，在解決問題時(shí)也更有效。

方案二：采用STM32F103C9T6型號(hào)單片機(jī)。STM32F103C9T6型號(hào)為STM32系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)本身為32位，具有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)，屬于增強(qiáng)型系列的單片機(jī)，而且其內(nèi)部的Cortex-M3架構(gòu)能使其指令執(zhí)行更快，單片機(jī)性能更強(qiáng)。

通過對(duì)以上兩種單片機(jī)的對(duì)比，雖然兩種單片機(jī)都有設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但是AT89C51型號(hào)單片機(jī)的功能足夠滿足本次設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)AT89C51型號(hào)的相關(guān)操作比較簡(jiǎn)單、成本比較劃算，經(jīng)過多方面的考慮，采用AT89C51型號(hào)單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控制芯片。

而對(duì)測(cè)距方案的設(shè)計(jì)根據(jù)該模塊功能的需求，經(jīng)查閱過相關(guān)資料后得出以下三種方案。

方案一：激光測(cè)距;激光測(cè)距的原理是測(cè)距儀發(fā)射激光后被測(cè)物體接受，再將其反射回來。測(cè)距儀記錄激光返回時(shí)間，并將光速乘以一半的時(shí)間來計(jì)算距離。其優(yōu)點(diǎn)是激光測(cè)量距離長(zhǎng)，速度快，測(cè)量準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是成本高。

方案二：紅外測(cè)距;紅外測(cè)距的原理是測(cè)量不同距離遇到障礙物時(shí)的紅外反射強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是精度不夠，方向不好。

方案三：超聲波測(cè)距;超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在發(fā)射后遇到障礙物時(shí)反射回來的特性，記錄發(fā)射到反射回來的時(shí)間，然后將時(shí)間的一半乘以空中超聲波傳播的速度，得到與障礙物之間的距離。超聲測(cè)距的精度高于紅外測(cè)距，方向容易控制，能耗低。成本比紅外線高，但比激光低，安全性高。綜合上述方案，可以得出方案三總體較好的結(jié)論，所以本次設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距。

四、系統(tǒng)模塊軟件設(shè)計(jì)

在完成對(duì)系統(tǒng)具體方案的選擇后，緊接著就要完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。對(duì)此次汽車倒車測(cè)距系統(tǒng)的課題，傾向運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)方案，其不僅會(huì)使程序的結(jié)構(gòu)明朗，還易于之后更深入地?cái)U(kuò)展工作。此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)大致有以下這些模塊組成：首要就是主程序的撰寫，接下來就是數(shù)據(jù)的采集，顯示屏的顯示程序，語音的提示、報(bào)警功能。最主要的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化進(jìn)程，及其裝置自我檢測(cè)的功能。對(duì)汽車倒車安全報(bào)警系統(tǒng)的初始化進(jìn)程要求包含CPU各端口的輸入輸出設(shè)定和一些外圍的驅(qū)動(dòng)問題。

最初的想法是將程序的設(shè)計(jì)運(yùn)用結(jié)構(gòu)化，最開始想到的就是結(jié)構(gòu)化的好處：首先主程序的撰寫可以一目了然很直接、很清晰地展示出來。其次就是結(jié)構(gòu)化撰寫程序方便閱讀、改正和檢測(cè)維護(hù)，這樣就可以大大減少后期出錯(cuò)的可能，也保證了主程序的可靠性。其實(shí)，結(jié)構(gòu)化也就是把一個(gè)整體切割成部分，經(jīng)歷由總到分再到總的過程。這樣就可以把一個(gè)復(fù)雜的問題分解成若干個(gè)小問題然后去一個(gè)個(gè)地進(jìn)行破解，這種基本思路符合結(jié)構(gòu)法的要求。當(dāng)然運(yùn)用這種方法就是可以讓設(shè)計(jì)者考慮得很周全，不會(huì)有遺漏的地方，再就是結(jié)構(gòu)鮮明且清晰，更方便隨時(shí)修改訂正。

五、結(jié)論與展望

至此汽車倒車安全報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)全部完成，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面，經(jīng)過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)測(cè)量的誤差在很小的范圍之內(nèi);在耗能方面，該設(shè)計(jì)進(jìn)行多次調(diào)試后，能源消耗并不大;功能實(shí)用方面也沒問題，都能滿足用戶的需求。本設(shè)計(jì)的汽車倒車安全報(bào)警系統(tǒng)使用簡(jiǎn)便、低耗能、功能實(shí)用，能滿足絕大多數(shù)人的需求。此外，汽車倒車安全報(bào)警系統(tǒng)還具有性能可靠、電路簡(jiǎn)單、元器件成本低、實(shí)用性強(qiáng)、耗能低等特點(diǎn)，是在智能科技浪潮的推動(dòng)下出現(xiàn)的智能化產(chǎn)品，方便了社會(huì)生活和其他各領(lǐng)域，是一種十分有意義的智能產(chǎn)物。

[作者單位]

湖北第二師范學(xué)院

（編輯：溫子超）