高精度倒車防撞預警系統(tǒng)的設計探索

【摘 要】本文研究設計了一種高精度的倒車防撞預警系統(tǒng)，通過采用小波束角動態(tài)掃描的探測方式，極大地減少了探測盲區(qū)，并可在探測過程中檢測到障礙物的大致方位，有效提高了探測精確度，能夠?qū)Φ管嚪雷财鸬胶芎玫妮o助作用。

【關鍵詞】高精度 倒車防撞 預警系統(tǒng) 超聲波測距 小波束角

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）03C-0189-02

隨著汽車的普及以及汽車價格的平民化，汽車已經(jīng)成為很多家庭的標配，然而伴隨著出行方便的同時，停車問題卻變得嚴峻起來。汽車數(shù)量的增多使得停車空間越來越小，在狹小的空間停車常常令有車一族無所適從，即使是經(jīng)驗豐富的司機也難免會在倒車時因為視線盲區(qū)等各種原因發(fā)生刮蹭。因此，輔助倒車系統(tǒng)成了很多品牌車型必備配置，也是許多車主必選的一項加裝設備。

一、倒車防撞預警系統(tǒng)工作原理

倒車防撞預警系統(tǒng)也稱為泊車輔助裝置，俗稱倒車雷達，是汽車在倒車或者泊車時的安全輔助設備，可以通過聲音、數(shù)字、圖片、影像等方式告知駕駛員汽車四周圍障礙物的情況，幫助駕駛員解決倒車、泊車時障礙物可能引起的干擾，掃除視線模糊和視野死角的缺陷。

現(xiàn)有的倒車防撞預警系統(tǒng)多采用波型信號探測距離實現(xiàn)。發(fā)射一種波型或信號，當該波型或信號遇到障礙物時會反射回來，由此得知是否有障礙物及障礙物與車的距離。超聲波是一種能量消耗緩慢、傳播距離遠的波，它可以在不同天氣狀況下使用，不易受外界條件如光線、煙霧、電磁等的影響，并且原理簡單、易于實現(xiàn)，可靠性好，成本低廉，因而廣泛應用于各種倒車雷達中。

系統(tǒng)發(fā)出超聲波，超聲波遇障礙物后反射回來，若超聲波的傳播速度為v，系統(tǒng)發(fā)出超聲波和收到超聲波的回波的時間間隔為t，則根據(jù)公式可計算出障礙物與汽車之間的距離。在空氣中傳播時，聲波的傳播速度會受到濕度、溫度、氣壓等因素的影響，其中溫度對聲波速度的影響最大，若要進行溫度補償，其關系為。一般情況下，倒車防撞預警系統(tǒng)不需要精確到毫米級別，故可不進行溫度補償。

二、現(xiàn)有倒車防撞預警系統(tǒng)的缺陷

目前國內(nèi)做倒車雷達的廠家很多，但是性能都不是很理想，主要表現(xiàn)在盲區(qū)較大和精確度不高。

（一）探測盲區(qū)過大。倒車防撞預警系統(tǒng)工作時，是由超聲波傳感器發(fā)出超聲波的，它發(fā)出超聲波時能量并不是均勻分布，垂直于傳感器表面中軸線位置的聲射線能量最強，中軸線左右兩側(cè)等其他方向上的聲波能量逐漸減弱。自發(fā)射源到照射目地的展開面積大小的參數(shù)我們用波束角來表示，它指能量密度達到峰值能量密度一半處的錐形寬度。在這個錐形寬度內(nèi)的障礙物能夠比較有效的探測到，而在這個錐形寬度之外波能量過于分散，無法產(chǎn)生有效的回波，也就無法較準確的探測出障礙物。一般的超聲波傳感器采用波束角。

為了解決這一問題，倒車雷達都采用了增加傳感器數(shù)量的方式來實現(xiàn)。傳感器數(shù)量的增多的確可以減少部分盲區(qū)，如圖1分別為用2個傳感器和用4個傳感器的探測范圍，白色部分代表盲區(qū)?，F(xiàn)有倒車雷達多采用4個傳感器來探測，但仍然有較大盲區(qū)，而一味地增加傳感器數(shù)量容易造成傳感器相互間的干擾，也會增加成本，故通過增加傳感器數(shù)量的方法并不是解決盲區(qū)過大的最佳方法。

（二）探測指向性不強。通過上圖可以看出，只要是在超聲波探測范圍內(nèi)出現(xiàn)的障礙物都可以被檢測到，但這個障礙物具體在哪個位置卻檢測不出。根據(jù)超聲波測距原理可知，超聲波遇到障礙物后反射回來，我們可以知道障礙物與汽車的距離，但這個測得的距離并不一定是傳感器正前方的障礙物的距離，以這個距離為半徑，以傳感器為圓心的范圍內(nèi)均有可能出現(xiàn)障礙物，故這個距離沒有明確的指向性。增大波束角可以減小盲區(qū)，但波束角越大指向性越不明確。

三、高精度倒車防撞預警系統(tǒng)的設計

為了解決現(xiàn)有倒車防撞預警系統(tǒng)的缺陷，本設計對現(xiàn)有倒車雷達系統(tǒng)做了一些改進。

（一）系統(tǒng)結構及工作原理。本設計包括以下模塊：超聲波發(fā)射模塊；超聲波接收模塊；用于控制發(fā)出、接收及處理超聲波數(shù)據(jù)信號的單片機；用于數(shù)碼距離顯示和障礙物方位顯示的顯示模塊以及用于提醒駕駛員的報警模塊，如圖2所示。單片機的輸出口分別與超聲波發(fā)射模塊、顯示模塊、報警模塊連接，單片機的輸入口與超聲波接收模塊連接。超聲波發(fā)射模塊包括超聲波發(fā)射傳感器和三級放大器，單片機的輸出口與三級放大器連接，三級放大器與超聲波發(fā)射傳感器連接。單片機采用C8051F330，內(nèi)部自帶有溫度傳感器、內(nèi)置AD、DA和比較器。超聲波接收模塊為PVDF超聲波接收器。顯示模塊為LCD液晶顯示屏。報警模塊為語音報警器，當障礙物與汽車距離小于設定的安全距離時，發(fā)出報警。

其工作原理為：倒車過程中若遇到障礙物，單片機產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過三級放大器后傳遞給超聲波發(fā)射傳感器，超聲波傳感器利用壓電特性，間斷以頻率40 KHz的電壓激發(fā)壓電片，該壓電片將電能轉(zhuǎn)換成機械能并發(fā)射出去。遇到障礙物后返回，PVDF超聲波接收器將所接收到的微弱聲波振動信號轉(zhuǎn)化成為電信號，傳送到單片機計算出汽車與障礙物的距離并通過顯示LCD液晶顯示屏顯示出來，報警模塊根據(jù)設定的距離提供不同的語音報警。

（二）采用小波束動態(tài)掃描。要解決探測盲區(qū)過大和探測指向性不強的問題，達到高精度判斷障礙物位置，關鍵要改進的是超聲波傳感器的掃描方式。要減小盲區(qū)，需要使用大波束角進行掃描；而要指向性明確，卻需要小波束角進行掃描，可見波束角的選擇在減少盲區(qū)和指向性明確這兩個目的上不能很好地統(tǒng)一。本系統(tǒng)在設計時為了使波束角的選擇既能夠兼顧指向性，又不增大盲區(qū)，選擇小波束角結合動態(tài)掃描的方式進行障礙物的探測。

在設計中選擇波束角為5°的小角度波束角，目的是為了使探測能有指向性。波束角減小以后傳感器探測到的范圍大大減小，當探測到障礙物時不但可以知道它與汽車的距離，還可以知道它的方位。若只是用小波束角進行掃描，必定會因掃描范圍過小而產(chǎn)生很大的盲區(qū)，故本系統(tǒng)設計將小波束角掃描與動態(tài)掃描相結合來進行掃描，也就是讓超聲波傳感器在不同的方向上動起來。實現(xiàn)方式是讓超聲波傳感器用步距角為7.5°的步進電動機來驅(qū)動，每個周期共驅(qū)動20次，這樣每個周期傳感器的探測角度總共為150°，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)量較多的小波柬角傳感器密集陣列，可以極大減小盲區(qū)。

其工作情況如下：在每個掃描周期中，超聲波傳感器在初始位置處完成一個5°的掃描，步進電動機轉(zhuǎn)動7.5°，然后傳感器完成第二個5°的掃描，步進電動機再次轉(zhuǎn)動7.5°，如次反復轉(zhuǎn)動20次，超聲波傳感器一共會在21個不同的方向上進行探測，可以得到21個連續(xù)的探測信息，有效探測范圍總共為150°。如圖3所示。因為探測范圍被細分成了21個方位，所以當發(fā)現(xiàn)障礙物得知其距離時，結合當前的掃描角度就能夠得知障礙物較為精確的方位，提高了探測精度。步進電動機在每次轉(zhuǎn)動時，傳感器有兩個方向上的探測，故傳感器的探測角度為5°×2=10°，這個角度大于步進電動機的轉(zhuǎn)動角度7.5°，所以每次的轉(zhuǎn)動并不會產(chǎn)生未被掃描到的遺漏區(qū)域。

（三）系統(tǒng)響應時間。小波束角結合動態(tài)掃描的方式很好地解決了以往倒車防撞預警系統(tǒng)盲區(qū)大和指向性不明的缺陷，但因為這種掃描方式在每個周期中要掃描21次，總共花費的時間比以往要長一些。為了使系統(tǒng)的響應時間快，本設計同時采用了30°波束角單次掃描與5°小波束角動態(tài)掃描兩種超聲波傳感器。汽車尾部的4個超聲波傳感器，有兩個采用30°波束角單次掃描方式來探測，有兩個采用5°小波束角動態(tài)掃描方式來探測。汽車后視鏡可以輔助看到一些倒車情況，故汽車尾部兩側(cè)的超聲波傳感器采用30°波束角單次掃描，汽車尾部中間的超聲波傳感器采用5°小波束角動態(tài)掃描來減小盲區(qū)，兩種掃描方式相互協(xié)調(diào)相互補充。除了硬件設計方面，軟件編程上也對系統(tǒng)處理時間進行了優(yōu)化。

總之，本設計采用了傳統(tǒng)單次掃描與小波束角動態(tài)掃描相結合來完成障礙物探測，提出的小波束角動態(tài)掃描有效地減少了盲區(qū)，同時能夠探測出障礙物的大致方位，極大地增強了探測精確度，能夠?qū)Φ管嚪雷财鸬胶芎玫妮o助作用。

【參考文獻】

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【專利項目】中國專利號（ZL201520003721.8）

【作者簡介】藍芳芳（1985— ），女，柳州鐵道職業(yè)技術學院專任教師，研究方向：電子信息、汽車電子。

（責編 盧 雯）