基于超聲波的汽車(chē)并線(xiàn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅文鈞 張留宇 劉炳川 周 俊

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲412007）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平日漸提高，越來(lái)越多的人擁有了汽車(chē)，然而伴隨著的卻是越來(lái)越多的交通事故。車(chē)輛碰撞事故主要分為車(chē)輛追尾、車(chē)輛并線(xiàn)角碰和車(chē)輛并線(xiàn)側(cè)刮三種。由于汽車(chē)后視鏡本身存在視覺(jué)盲區(qū)，以致駕駛員無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地獲知后方車(chē)輛的動(dòng)向，因此車(chē)輛并線(xiàn)側(cè)刮便成為兩車(chē)碰撞事故中最常見(jiàn)的一種。基于此現(xiàn)象，我們利用超聲波原理開(kāi)發(fā)了一套完整的監(jiān)控報(bào)警輔助系統(tǒng)。當(dāng)駕駛員做出變道的動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)與相鄰車(chē)道后方車(chē)輛車(chē)距，一旦車(chē)距小于安全并線(xiàn)距離時(shí)，車(chē)輛將發(fā)出聲光報(bào)警提醒駕駛員，從而在一定程度上防止兩車(chē)發(fā)生碰撞。

1 汽車(chē)后視鏡盲區(qū)

根據(jù)光學(xué)原理，可以容易地計(jì)算出車(chē)輛后視鏡的視角，角度確定后就能按比例準(zhǔn)確地畫(huà)出盲區(qū)。選擇一輛中等大小的乘用車(chē)，測(cè)量其鏡面寬度，曲面鏡的曲率半徑，眼睛到鏡子的縱向和橫向距離。駕駛員的座椅分別調(diào)到最前面、中間、最后面分別進(jìn)行測(cè)量。后視鏡的視角如表1所示，表1中間位置的視角用來(lái)描繪平均身高駕駛員的視角[1]。

表1 雙目視角Table1 The binocular visual angle單位：（°）

2 超聲波傳感器及其測(cè)距原理

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器測(cè)距是一種非接觸式的測(cè)量方式，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測(cè)量。它不受被測(cè)對(duì)象的顏色、表面灰垢等影響，特別是能夠在黑暗的環(huán)境中完成測(cè)量任務(wù)。對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此能夠較好的應(yīng)用于汽車(chē)并線(xiàn)輔助系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)。

2.2 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的工作原理是利用超聲波發(fā)射器向某一個(gè)方向發(fā)送超聲波，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播。當(dāng)碰到物體時(shí)馬上返回。當(dāng)超聲波接收器收到超聲波時(shí)立即停止計(jì)時(shí)。已知超聲波在空氣中傳播的速度為340m/s，由計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，并可計(jì)算發(fā)射點(diǎn)距離被測(cè)物體的距離S，即S=340t/2[2-4]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的整體方框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件部分主要由STC12C5A60S2單片機(jī)系統(tǒng)、報(bào)警電路、超聲波發(fā)射與接收電路、電源電路四大部分構(gòu)成。

系統(tǒng)原理：由STC12C5A60S2單片機(jī)控制超聲波傳感器。單片機(jī)通過(guò)P2.0、P2.1作為IIC通信的總線(xiàn)從超聲波收發(fā)模塊（KS103）中讀出相鄰車(chē)道后方車(chē)輛與本車(chē)的車(chē)距。單片機(jī)將讀取到的數(shù)據(jù)與預(yù)置的安全距離比較，判斷是否需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2 超聲波發(fā)射與接收模塊

本系統(tǒng)測(cè)距部分采用超聲波測(cè)距模塊（KS103)，此模塊具有實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償距離探測(cè)功能，大大降低了因環(huán)境溫度影響而帶來(lái)的測(cè)量誤差，探測(cè)范圍1cm-1000cm(10米)。KS103使用IIC總線(xiàn)與主機(jī)進(jìn)行通信，自動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的IIC控制命令，擴(kuò)展對(duì)其他方向車(chē)輛的監(jiān)視也簡(jiǎn)單的多，以致占用單片機(jī)的資源和I/O口大大減少，KS103還具有探測(cè)頻率高、工作電壓寬、功耗低等特點(diǎn)。因此KS103能較好的應(yīng)用于汽車(chē)并線(xiàn)輔助系統(tǒng)。

3.3 單片機(jī)控制電路

超聲波發(fā)射與接收模塊輸出的回響信號(hào)從單片機(jī)的INT0輸入由定時(shí)器來(lái)測(cè)量高電平時(shí)間（超聲波傳播的時(shí)間）。單片機(jī)利用時(shí)間計(jì)算出距離并與預(yù)置的安全距離進(jìn)行比較,如果需要報(bào)警，單片機(jī)將通過(guò)P1.1和P1.2分別控制蜂鳴器發(fā)聲（距離越近音量越大）和紅色LED燈閃爍（距離越近亮度越大）[5]。

3.4 報(bào)警電路

報(bào)警電路部分主要由蜂鳴器和LED燈組成。硬件電路如圖2所示，在汽車(chē)并線(xiàn)的過(guò)程中，利用單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲和LED燈閃爍。當(dāng)相鄰后方的車(chē)輛距離大于安全距離時(shí)，進(jìn)行下次測(cè)量，不發(fā)報(bào)警信號(hào)。當(dāng)相鄰后方的車(chē)輛距離大于安全距離（本系統(tǒng)設(shè)置安全距離為8m）時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通過(guò)控制方波的頻率和占空比分別來(lái)控制蜂鳴器的音量和紅色LED燈的亮度，距離越近音量和亮度均越大[5]。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

汽車(chē)并線(xiàn)輔助系統(tǒng)根據(jù)超聲波測(cè)距原理，用STC12C5A60S2系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件部分采用前后臺(tái)多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，由主程序、超聲波測(cè)距子程序、報(bào)警子程序等任務(wù)組成。

主程序流程圖如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)的主體思路是采用前后臺(tái)任務(wù)模式，將測(cè)距和報(bào)警編成獨(dú)立任務(wù)的形式，每隔一定的時(shí)間運(yùn)行一次。其他時(shí)間單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。單片機(jī)啟動(dòng)并開(kāi)始初始化配置，包括配置超聲波測(cè)距模塊的工作模式、定時(shí)器初始化配置。定時(shí)100ms則開(kāi)始依次執(zhí)行超聲波測(cè)距任務(wù)、報(bào)警任務(wù)。

超聲波測(cè)距子程序設(shè)計(jì)為進(jìn)入該任務(wù)后并開(kāi)始通過(guò)IIC通信讀取測(cè)距模塊中的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。再次發(fā)出探測(cè)指令。因?yàn)镵S103在發(fā)送探測(cè)指令后要等待87ms，而下一次進(jìn)入該任務(wù)是100ms以后，滿(mǎn)足等待時(shí)間的要求。這樣就比用delay();延時(shí)更加節(jié)約資源。

報(bào)警子程序設(shè)計(jì)為進(jìn)入任務(wù)后將安全距離與探測(cè)距離作差，根據(jù)結(jié)果區(qū)分相鄰車(chē)道后方的車(chē)輛相對(duì)于本車(chē)的位置。從而判斷是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)以及報(bào)警信號(hào)的音量和亮度。

5 小結(jié)

利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)汽車(chē)并線(xiàn)輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定。在本設(shè)計(jì)中采用超聲波測(cè)距模塊（KS103），帶溫度補(bǔ)償，精度高。采用IIC總線(xiàn)直接與主機(jī)進(jìn)行通信，比用單片機(jī)直接計(jì)時(shí)測(cè)量的精度要高。但需要注意的是：超聲波測(cè)距模塊必須與汽車(chē)成20°左右的夾角，才能充分檢測(cè)盲區(qū)。然而，駕駛員必須注意，汽車(chē)并線(xiàn)輔助系統(tǒng)所起到的僅僅是輔助作用，仍然無(wú)法完全替代駕駛員作出判斷，即便安裝了并線(xiàn)輔助系統(tǒng)或者其他輔助系統(tǒng)，駕駛員仍然需要時(shí)刻保持安全意識(shí)，親自觀看兩側(cè)后視鏡以及觀察交通狀況[6]。

［1］吳佳林,孔軍.汽車(chē)后視鏡盲區(qū)及預(yù)測(cè)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010（32）.

［2］肖質(zhì)紅.超聲波測(cè)距在汽車(chē)安全系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].浙江萬(wàn)里學(xué)院學(xué)報(bào),2007（20）.

［3］麥錦文.超聲波技術(shù)在汽車(chē)防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2010（6）.

［4］奠石鎂.超聲波測(cè)距在汽車(chē)倒車(chē)防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]2007（1）.

［5］高川,談?wù)穹?基于AT89C2051的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].應(yīng)用科技,2006（11）.

［6］陸明輝.奧迪Q7駕駛輔助系統(tǒng)之換道系統(tǒng)[J].汽車(chē)電器,2008（10）.