基于超聲波測(cè)距的自動(dòng)尋跡泊車系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)*

戴紹港 ，石學(xué)誠(chéng)

(杭州電子科技大學(xué)通信學(xué)院，杭州310018)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)［1－7］是一種通過探測(cè)車輛周圍環(huán)境信息來找到合適的泊車位，從而控制車輛的轉(zhuǎn)向、速度，使得車輛能夠自主駛?cè)氩窜囄坏南到y(tǒng)。自動(dòng)泊車技術(shù)是現(xiàn)代車輛智能化的研究熱點(diǎn)之一，受到了越來越多的關(guān)注。雖然自動(dòng)泊車系統(tǒng)還沒有在汽車市場(chǎng)展開大規(guī)模的應(yīng)用，但隨著汽車和電子工業(yè)的發(fā)展，以及智能控制算法的研究與發(fā)展，自動(dòng)泊車系統(tǒng)將得到更大的應(yīng)用空間。相比于人工泊車事故率高、傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)智能度低，自動(dòng)泊車系統(tǒng)提高了車輛的智能化水平和安全性，進(jìn)一步降低了新手司機(jī)駕駛車輛的難度，也為將來實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛打下基礎(chǔ)。

1 原理與算法設(shè)計(jì)

1.1 聲源定位算法

在現(xiàn)有的麥克陣列聲源定位方法中，基于時(shí)延估計(jì)的定位方法精度相對(duì)較高，且在實(shí)際中可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)［8－9］。時(shí)延估計(jì)算法可采用廣義互相關(guān)算法來實(shí)現(xiàn)，廣義互相關(guān)法通過求兩信號(hào)之間的互功率譜，并在頻域內(nèi)給予一定的加權(quán)來抑制噪聲和反射的影響，再反變換到時(shí)域，從而得到兩信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)。該互相關(guān)函數(shù)的峰值位置即兩信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)延。

由于本系統(tǒng)中發(fā)射的信號(hào)為超聲波信號(hào)，且整個(gè)系統(tǒng)(移動(dòng)臺(tái)與主控中心)是完全協(xié)同工作(合作)的模式，為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度與系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性，可采用比較傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)方法，即利用系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)發(fā)送超聲波信號(hào)的同時(shí)告知主控中心，主控中心及時(shí)打開定時(shí)器，當(dāng)主控中心判定收到信號(hào)時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，然后計(jì)算兩者的差值Δt，即可獲得時(shí)延估計(jì)值。

考慮系統(tǒng)本身的要求，采用了二維的定位方法。假定移動(dòng)聲源的初始位置為S 點(diǎn)，即直角坐標(biāo)為(rcosθ，rsinθ)，同時(shí)把A 與B 兩超聲波接收器的位置也放于坐標(biāo)系中，即A(－0.5，0)，B(0.5，0)，W 點(diǎn)為停車位置。由圖1 可計(jì)算得到:

其中c 為超聲波的傳播速度，Δt 為時(shí)延估計(jì)值。移動(dòng)聲源S 向y 軸靠近時(shí)θ 角不斷增大，當(dāng)達(dá)到y(tǒng) 軸時(shí)θ 角為90°，則SA=SB，此時(shí)Δt=0，反之亦然。因此，當(dāng)收到時(shí)延誤差信號(hào)為0 時(shí)，則可以判定移動(dòng)聲源已達(dá)到OW 軸即坐標(biāo)y 軸。同樣的理論，當(dāng)移動(dòng)聲源達(dá)到OW 軸之后，再向W 點(diǎn)前進(jìn)時(shí)，可利用A 和C 兩超聲波接收器通過計(jì)算時(shí)延值來判定移動(dòng)聲源位置，當(dāng)該時(shí)延值接近O 時(shí)，可斷定該移動(dòng)聲源已到達(dá)W 點(diǎn)。

圖1 二維聲源定位圖

1.2 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理［10－11］為聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，通過兩者的時(shí)間t，利用公式:

計(jì)算障礙物距離，其中d 為發(fā)射器與障礙物之間的距離，v 為聲波在介質(zhì)中的傳播速率，由下面的計(jì)算公式得到:

式中:τ為攝氏溫度。

1.3 運(yùn)動(dòng)控制原理

當(dāng)發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖時(shí)，移動(dòng)臺(tái)上的CPU 通過無線模塊向接收站發(fā)送聲源啟動(dòng)信號(hào)，由于無線模塊的信號(hào)載波是2.4 GHz 電磁波，其在空間的傳輸時(shí)間較小可忽略不計(jì)。當(dāng)主控中心接收到聲源啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，通知兩個(gè)接收站分別打開各自的定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)偵聽超聲波信號(hào)。當(dāng)收到超聲波信號(hào)時(shí)，立即關(guān)掉定時(shí)器，計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到達(dá)各站所用時(shí)間之差，然后將此差值信號(hào)通過無線傳回移動(dòng)臺(tái)。差值越小表明距離目標(biāo)位置越近，當(dāng)差值接近零時(shí)，說明聲源已到達(dá)目標(biāo)，立刻停止。由上可知，用兩接收站接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間差作為誤差信號(hào)能夠較好的控制移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)的總體要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，主要由主控中心和移動(dòng)臺(tái)(移動(dòng)小車)兩大部分組成，其中移動(dòng)臺(tái)由CPU 控制器單元、無線收發(fā)單元、超聲波發(fā)射單元、以及移動(dòng)臺(tái)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)單元等組成;主控中心則由CPU 控制與處理單元、無線收發(fā)單元、多組超聲波接收器單元、以及顯示單元等組成。

圖2 系統(tǒng)的總體框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為:以飛利浦低功耗ARM芯片LPC2103 為核心處理芯片，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無線傳輸，超聲波信號(hào)產(chǎn)生與接收，LCD 顯示等功能模塊組成，使超聲波收發(fā)與無線模塊之間協(xié)調(diào)工作，讓單片機(jī)能將移動(dòng)臺(tái)與接收站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋形成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而大大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確性。

2.2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 超聲波發(fā)射與檢測(cè)接收電路

接收電路如圖3 所示。

圖3 超聲波接收電路原理圖

在移動(dòng)臺(tái)端，通過超聲波發(fā)射器發(fā)出方波脈沖，其頻率為39 kHz。3 個(gè)檢測(cè)站(A，B，C)采用超聲波接收探頭和CX20106A 芯片作為接收處理電路，調(diào)節(jié)該芯片第2 腳與地之間的電阻及電容可調(diào)節(jié)芯片的靈敏度，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，采用電位器與3 μF 的電容串聯(lián)，然后調(diào)節(jié)電位器的阻值，使系統(tǒng)輸出增益達(dá)到最大值;同時(shí)調(diào)節(jié)第5 腳的外接電阻(實(shí)際阻值為200 kΩ)，可改變接收頻率，使之達(dá)到39 kHz 左右。接收站可以接收到衰減較少的超聲波信號(hào)，進(jìn)而通過CPU 判斷各個(gè)接收端與移動(dòng)移動(dòng)臺(tái)的之差，最終轉(zhuǎn)化為控制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的指令。

2.2.2 無線收發(fā)電路

系統(tǒng)采用Nordic 公司的nRF24L01 無線收發(fā)模塊［12－13］，其工作在2.4 GHz，外圍電路簡(jiǎn)單，只需極少量的外圍電感、電容、電阻，即可構(gòu)建一個(gè)完整的通信模塊。如圖4 所示，其中天線這里采用銅線，在阻抗匹配的條件下，能傳輸較遠(yuǎn)的距離，且能滿足系統(tǒng)要求。

3 軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5 所示，在軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮系統(tǒng)程序通過無線收發(fā)模塊使主控中心和移動(dòng)臺(tái)形成閉環(huán)系統(tǒng)。移動(dòng)臺(tái)發(fā)送超聲波脈沖的同時(shí)，無線模塊發(fā)送計(jì)時(shí)信號(hào)開啟定時(shí)器計(jì)算移動(dòng)臺(tái)與主控中心的兩接收站之間的實(shí)時(shí)時(shí)間差，當(dāng)此時(shí)間接近零時(shí)，主控中心發(fā)送無線信號(hào)，控制電機(jī)作相應(yīng)制動(dòng)。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試條件與方法

根據(jù)圖1 按照實(shí)際停車位的5 ∶1比例在W 點(diǎn)設(shè)置模型車位，首先把3 個(gè)超聲波接收站分別放到規(guī)定的位置A，B，C 上，其次按照要求，把裝有無線收發(fā)模塊的移動(dòng)車模放到OW 線右側(cè)50 cm 處位置，通過超聲波引導(dǎo)讓其到達(dá)指定位置，記錄停止位置與指定位置之間的距離、整個(gè)過程的時(shí)間，并與指標(biāo)的要求誤差范圍和速度進(jìn)行比較。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 OW 右側(cè)的車模駛向W 點(diǎn)(在OW 上)時(shí)的測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文所提出的利用超聲波測(cè)距原理來引導(dǎo)汽車的自動(dòng)尋跡與泊車系統(tǒng)模型，巧妙的利用了信號(hào)特征實(shí)現(xiàn)對(duì)載有超聲波的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行精確引導(dǎo)。由于超聲波傳感器的良好特性，選用多個(gè)超聲波傳感器組成傳感器系統(tǒng)，通過編組協(xié)同工作，用來探測(cè)有效車位和車輛相對(duì)位置，具有一定的創(chuàng)新性，且功耗低，具有很大的成本上的優(yōu)勢(shì)。

［1］ Massaki Wade，Kang Sup Yong，Hideki Hashimoto.Development of Advanced Parking Assistance System［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2003，50:4－16.

［2］ Chiu Chian－song，Lian Kuang－yow，Liu Peter.Fuzzy Gain Scheduling for Parallel Parking a Car Like Robot［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2005，13(6):1084－1092.

［3］ Paul Green. Parking Crashes and Parking Assistance System Design:Evidence from Crash Databases，the Literature and Insurance Agent Interviews［J］. SAE World Congress，2006，1:1685－1700.

［4］ 郭孔輝，姜輝，張建偉，等.基于模糊邏輯的自動(dòng)平行泊車轉(zhuǎn)向控制器［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，39(2):236－240.

［5］ 何建國(guó)，張文勝，趙根莊. 智能泊車引導(dǎo)方法的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.地理空間信息，2007，5(2):3－5.

［6］ 付菊芳，張小龍，東亞斌. 國(guó)外汽車自動(dòng)停車系統(tǒng)的介紹與分析［J］.中國(guó)科技信息，2009，(2):259－26.

［7］ 何峰.一種應(yīng)用于自動(dòng)泊車系統(tǒng)的車位檢測(cè)方法［J］. 傳感器世界，2009，3(1):24－27.

［8］ 崔瑋瑋，曹志剛，魏建強(qiáng).聲源定位中的延時(shí)估計(jì)技術(shù)［J］. 數(shù)據(jù)采集及處理，2007，22(1):90－99.

［9］ 孫韶杰，孫紹俊，李國(guó)輝，等.一種改進(jìn)的聲測(cè)定位時(shí)延估計(jì)算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，(11):2696－2723.

［10］ 許天增，許克平，許茹，等.超聲傳輸特性和超聲傳感系統(tǒng)研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，2:34－35.

［11］ 田燕. 超聲波的物理特性及應(yīng)用［J］. 現(xiàn)代物理知識(shí)，1996，11(1):7－9.

［12］ 張克滿，史儀凱.基于DSP 和nRF2401 芯片的數(shù)字無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005，(3):93－95.

［13］ 廖平，喬剛. 基于nRF2401 的近距離點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，(11):18－20.