傳感器在車輛自動(dòng)倒泊方面的應(yīng)用

童啟明，張麗霞，潘福全，路軍

（青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520）

傳感器在車輛自動(dòng)倒泊方面的應(yīng)用

童啟明，張麗霞，潘福全，路軍

（青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520）

本文介紹了如何利用傳感器來實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)倒泊，并結(jié)合車輛的自身?xiàng)l件，提出了傳感器的設(shè)計(jì)方法、舵機(jī)的原理以及系統(tǒng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了車輛的自動(dòng)倒泊。系統(tǒng)采用F330單片機(jī)和C8051F330單片機(jī)為核心，并使用超聲波傳感器采集道路信息，通過舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)車輛的行駛與制動(dòng)，使車輛自動(dòng)倒泊智能，安全。

傳感器；智能車；車聯(lián)網(wǎng)

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，私家車越來越普及，駕駛者如何讓車輛自動(dòng)入庫(kù)停車，這一問題越來越引起眾人的關(guān)注。車輛的自動(dòng)倒泊技術(shù)，解決了復(fù)雜的腦力問題，且保證駕駛員的安全。因此，設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)倒泊的系統(tǒng)有著一定的實(shí)用價(jià)值。

1、總體布局

系統(tǒng)板塊主要由超聲波傳感器、單片機(jī)，液晶顯示屏，舵機(jī)、直流電機(jī)等組成。

車身是運(yùn)動(dòng)的，在采集數(shù)據(jù)上有一定難度，可采用超聲波傳感器采集數(shù)據(jù)，計(jì)算出傳感器與障礙物間距離。

采用雙CPU協(xié)調(diào)控制。單片機(jī)1通過超聲波接收裝置接受采集到的信息，對(duì)信息進(jìn)行分析和處理，計(jì)算出車尾為到障礙物之間的距離，將結(jié)果顯示在駕駛室屏幕上。同時(shí)，該數(shù)據(jù)再輸入單片機(jī)2中的中央處理單元，并由驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)舵機(jī)舵機(jī)控制模塊（伺服電機(jī)）或電機(jī)控制模塊（直流電機(jī)）發(fā)出相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒泊。

2、設(shè)計(jì)理念

2.1 電源設(shè)計(jì)

由于采集節(jié)點(diǎn)上的超聲波傳感器和單片機(jī)都需要 5V電源，然而基準(zhǔn)電壓芯片等需要 3.3V 電源，外接電源為24V，所以必須經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換，可采用 LM2576S-5V 和ASM1117-3.3V 的穩(wěn)壓芯片，轉(zhuǎn)換電路圖如下圖所示。

得到3.3V和5V的電壓后，分別連接上一濾波器，傳給單片機(jī)、傳感器等。

2.2 信息采集設(shè)計(jì)

信息采集系統(tǒng)常采用CCD攝像頭、光電傳感器、超聲波等方法[1]，本文采用的是超聲波傳感系統(tǒng)。

單片機(jī)1 采用的是C8051F330單片機(jī)，該單片機(jī)有I/O口、引腳分別是17個(gè)、20個(gè)。

超聲波傳感器的中央處理器采用單片機(jī)1，測(cè)距方法為：?jiǎn)纹瑱C(jī)1每隔一段時(shí)間向超聲波換能器發(fā)出一系列激勵(lì)脈沖，其頻率為40khz。超聲波脈沖驅(qū)動(dòng)電路控制超聲波換能器，由發(fā)送探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，一旦收到的反射回來的超聲波信號(hào)就立刻停止，并利用超聲波往返時(shí)間，計(jì)算車輛與障礙物間的距離[2]。

超聲波發(fā)送電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)1和超聲波換能器間增加功率放大電路，同時(shí)對(duì)激發(fā)信號(hào)進(jìn)行升壓，如圖5所示。

超聲波接收電路：對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)實(shí)際需要放大信號(hào)的強(qiáng)度，在將放大后的信號(hào)經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波，最后采用電平比較法消去噪聲。并將比較器的負(fù)輸入端引入一門限壓電，這樣比較器輸入的結(jié)果便可以正確顯示是否接收到回波。如圖6所示。

測(cè)距輸出：?jiǎn)纹瑱C(jī)1的輸出是電流模式，而測(cè)距結(jié)果是模擬電壓的形式表示的。所以，需要對(duì)輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖7所示。

2.3 信息處理設(shè)計(jì)

處理節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)1、單片機(jī)2、舵機(jī)、電源以及外殼等組成。

單片機(jī)1采用F330單片機(jī)。單片機(jī)1，采用其 PA 口控制 LCM12864 顯示處理后的距離。

單片機(jī)2采用微處理器MC9S12DG128，并將其作為核心模塊，其組成部分是PWM硬件控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等[3]。

超聲波換能器發(fā)出超聲波信號(hào)，超聲波接收裝置采集信號(hào)，并輸入單片機(jī)1，計(jì)算出傳感器到障礙物之間的距離，將結(jié)果顯示在駕駛室屏幕上[]。單片機(jī)1處理得到的數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出給單片機(jī)2中的中央控制單元（控制模塊），控制模塊不斷的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，一旦檢查到不同的命令，驅(qū)動(dòng)模塊就從中央控制單元獲得相應(yīng)命令，驅(qū)動(dòng)模塊從而會(huì)發(fā)出兩路PWM波，分別對(duì)車輛的直流電機(jī)（驅(qū)動(dòng)）和轉(zhuǎn)向舵機(jī)（轉(zhuǎn)向）進(jìn)行控制，完成車輛的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、制動(dòng)的功能。

2.4 舵機(jī)的原理

2.4.1 舵臂分析

車輛的轉(zhuǎn)向是舵機(jī)通過多級(jí)連接臂/輪對(duì)連桿來驅(qū)動(dòng)輪胎來實(shí)現(xiàn)的，如圖9所示。加快車輛的轉(zhuǎn)向的靈敏度，一般采用的方法有：增加舵機(jī)的額定功率，合理布置舵機(jī)的安裝位置以及延長(zhǎng)多級(jí)連接臂的長(zhǎng)度等方法。因?yàn)槎鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率有上限，故舵機(jī)連接臂的延長(zhǎng)是提高車輛轉(zhuǎn)向能的有效手段[4]。

2.4.2 舵臂長(zhǎng)度計(jì)算

為了車輛的轉(zhuǎn)向更為輕便、快捷、精確，轉(zhuǎn)臂的延長(zhǎng)是至關(guān)重要的，但為了保證車輛在所有工況下都能提供足夠的轉(zhuǎn)向力以便更好的控制轉(zhuǎn)向，所以需要滿足一個(gè)力學(xué)條件∶舵機(jī)輸出力＞ 前輪壓力產(chǎn)生的摩擦力。

假定前輪承重為Fmg，加速過程中產(chǎn)生的動(dòng)載力為Fma，輪胎和地面的摩擦力因數(shù)為μ，舵機(jī)輸出扭矩為T,則前輪產(chǎn)生的總摩擦力為

舵機(jī)滿足條件的臂長(zhǎng)為L(zhǎng)=T/F

2.5 倒車時(shí)方向控制原理

傳感器2在汽車尾部的中軸線上，傳感器3和傳感器1關(guān)于中軸線對(duì)稱，分別分布左右邊。

設(shè)定D為車輛尾部到障礙物之間的安全距離，d為車輛尾部到障礙物之間真實(shí)距離，d1為右側(cè)傳感器1到障礙物之間的真實(shí)距離，d2為左側(cè)傳感器2到障礙物之間的真實(shí)距離。傳感器1與2,2與3的距離均為x。

2.5.1 距離d的計(jì)算

2.5.2 方向控制

利用d、d1、 d2和D之間的比較，作為相應(yīng)的控制，具體控制方法如下：

當(dāng)d ≤D時(shí)，車輛制動(dòng)。

當(dāng)d＞D時(shí)，d1= d2，車輛沿直線后退 。

d1＞d2，車輛向右轉(zhuǎn)向。

d1＜d2，車輛向左轉(zhuǎn)向。

3、系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)的接收階段

超聲波傳感器是通過發(fā)出和收到信號(hào)的時(shí)間差，來計(jì)算車輛離障礙物的距離。其距離為：d=0.5(c×t)

d為車尾部與障礙物間的最小距離；c為聲音在空氣中的傳播速度；t聲波的往返時(shí)間差

3.2 數(shù)據(jù)的處理階段

設(shè)定D為車尾部到障礙物之間的安全距離，d1為右側(cè)傳感器1到障礙物之間的距離，d2為左側(cè)傳感器2到障礙物之間的距離。

4、結(jié)語

本文提出了一種車輛自動(dòng)倒泊的設(shè)計(jì)方案，采用超聲波傳感器作為數(shù)據(jù)的采集工具，結(jié)合單片機(jī)和舵機(jī)等完成自動(dòng)倒泊。合理的設(shè)計(jì)了運(yùn)行方案和算法設(shè)計(jì)，使車輛的自動(dòng)倒泊成為了現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了倒車入庫(kù)的智能化、高效化，并有效的保證了駕駛者的安全。

[1] 王 玲,孫 波.紅外光電傳感器自動(dòng)尋跡智能車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,29(2)∶57-60.

[2] 董永貴.傳感技術(shù)與系統(tǒng)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3] MC9S12DG128 Device User Guide.Freescale Semiconductor Inc, 2005.

[4] 一種基于光電傳感器的路徑識(shí)別智能車.科學(xué)技術(shù)與工程.2011, 1671-1815（2011）-0039-03.

Sensors in the vehicle parked automatic reverse application areas

Tong Qiming, Zhang Lixia, Pan Fuquan, LuJun
（Automotive and Transportation College of Qingdao University, Shandong Qingdao 266520）

This article describes how to use the sensors to automatically pour parked vehicles, combined with the vehicle's own conditions, proposed the design method of the sensor, as well as the principle of the servo system control algorithm to achieve the automatic reverse parked vehicles. The system uses F330 C8051F330 microcontroller and microcontroller core, using an ultrasonic sensor to collect the road information, through steering and braking to achieve with the vehicle, the vehicle parked automatic reverse smart and safe.

Sensor；Smart Car；Car networking

U463.6

A

1671-7988(2015)03--

啟明，就讀于青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院。

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目資助(J12LB08)；山東省自然科學(xué)基金資助(ZR2012EEL09)。