基于STM32的障礙物定位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘盛輝 曹蓬 吳甜甜 周黃騫 徐銘武

摘 要：為幫助駕駛員及時(shí)知曉車輛倒車后方環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的障礙物定位檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)通過(guò)兩組超聲波傳感器分區(qū)對(duì)障礙物的距離及方位進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)多路傳感器信息的融合得到障礙物的方位信息并進(jìn)行顯示，并按照所劃分的3種危險(xiǎn)等級(jí)的警示音報(bào)警.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)量誤差小，測(cè)距準(zhǔn)確，滿足目前市場(chǎng)需要.

關(guān)鍵詞：倒車輔助；距離檢測(cè)；超聲測(cè)距；定位

中圖分類號(hào)：U463.67；TB55 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

倒車?yán)走_(dá)一般通過(guò)聲音警示和液晶屏顯示來(lái)提醒駕駛員車輛后方障礙物距離[1].聲音報(bào)警采用聲光報(bào)警或語(yǔ)音報(bào)警，電子聲報(bào)警通過(guò)改變占空比發(fā)出不同頻率的報(bào)警音，駕駛員只能預(yù)估大體的距離信息.語(yǔ)音報(bào)警直接播報(bào)距離信息，存在很大的時(shí)延性，無(wú)法確保準(zhǔn)確播報(bào).屏幕顯示包括數(shù)值顯示和圖像顯示[2]，這兩種顯示方式直觀準(zhǔn)確，但駕駛員需要分神查看，增加了倒車風(fēng)險(xiǎn).所以汽車上往往采取不止一種的提醒方式.然而，在現(xiàn)有的倒車?yán)走_(dá)中都無(wú)法顯示障礙物的具體方位信息.

常見(jiàn)的定位方式有：紅外定位、超聲波定位、藍(lán)牙定位、RFID定位等方法.其中，由于超聲波能夠在氣體、液體和固體3種形態(tài)的彈性介質(zhì)中傳播，并且在傳播時(shí)方向性強(qiáng)、能量集中[3]，傳播距離足夠遠(yuǎn)所以適用于近距離定位測(cè)距.測(cè)距采用的超聲波頻率通常為40 kHz，在該頻率下系統(tǒng)定位精度相對(duì)較高.

針對(duì)需要研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的障礙物定位檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)車后環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集障礙物距離信息[4]，在內(nèi)部計(jì)算處理得到方位信息，使用LCD屏幕顯示，對(duì)3種距離危險(xiǎn)等級(jí)采用不同警報(bào)音提示[5].

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于STM32的障礙物定位檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波雷達(dá)測(cè)距模塊、顯示和報(bào)警模塊、STM32控制模塊組成，如圖1所示.超聲波測(cè)距模塊由兩路超聲波模塊組成，其中T1，T2為發(fā)射模塊，R1，R2為接收模塊.發(fā)射模塊發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，若車后有障礙物，超聲波會(huì)被反射，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就能確定障礙物到汽車的距離（取最小值）.

由嵌入式芯片產(chǎn)生10 ？滋s的觸發(fā)脈沖，激活超聲波傳感器的發(fā)送端，使發(fā)送端發(fā)送雷達(dá)探測(cè)信號(hào).接收端接收返回信號(hào)，并將返回信號(hào)處理后傳至控制芯片.在芯片內(nèi)部完成計(jì)算操作，使用LCD屏顯示，并按照所劃分區(qū)域進(jìn)行顯示，按照3級(jí)報(bào)警提示音預(yù)警.

根據(jù)距離的不同，采用不同的聲音警報(bào).距離在1 m～2 m內(nèi)，產(chǎn)生頻率為400 Hz，占空比為40%的報(bào)警音；0.5 m～1 m時(shí)，頻率變?yōu)?00 Hz，占空變?yōu)?0%；0～0.5 m時(shí)，頻率提升至1 200 Hz，占空比增大到60%.使用頻率改變聲調(diào)，占空比提高音量，產(chǎn)生的效果是距離越近警報(bào)音越尖銳和聲量越大.

2 系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中使用STM32的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器1作為超聲波觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生，使用定時(shí)器2作為超聲波傳感器返回電平信號(hào)的檢測(cè) ，采用8080并口線與TFT-LCD液晶顯示屏通信.使用通用接口PC5—PC8作為超聲波檢測(cè)，使用PD，PE口作為T(mén)FT屏的16位的串行通訊數(shù)據(jù)及控制總線，硬件接口如圖2所示.

硬件按照功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，包括超聲波傳感器模塊，主控芯片STM32模塊以及顯示模塊TFT液晶顯示屏和蜂鳴器報(bào)警模塊.如圖3所示，在系統(tǒng)上電后，超聲波模塊將信號(hào)傳輸至STM32主控芯片處理，在芯片內(nèi)部根據(jù)超聲波測(cè)距公式計(jì)算得到距離，然后將距離數(shù)據(jù)發(fā)送至TFT液晶顯示屏進(jìn)行顯示.如果在某個(gè)距離設(shè)定閾值，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警模式，提醒駕駛員.

2.1 超聲波硬件電路接口設(shè)計(jì)

發(fā)射模塊主要由超聲探頭、起振電路和STM32芯片組成.由STM32芯片引腳發(fā)射脈沖信號(hào)，對(duì)三極管Q1和Q2組成的反饋振蕩器進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng).超聲波探頭在此電路中既作為輸出換能轉(zhuǎn)換器又是反饋耦合器件，其兩端的振蕩信號(hào)近似于方波，發(fā)射和接收電路分別如圖3、圖4所示.

超聲波接收電路采用了紅外接收芯片CX20106A，其內(nèi)部包含：?jiǎn)瓮V波、積分比較、整形輸出等功能.超聲波接收電路將探頭接收到的微小信號(hào)放大，濾波，整形輸出信號(hào)波形，得到電平信號(hào)，送至STM32芯片進(jìn)行距離的運(yùn)算[5].

根據(jù)超聲波發(fā)出時(shí)間及回波接收時(shí)間間隔，采用取渡越時(shí)間法可以計(jì)算出距離[4].

式（1）中，D表示檢測(cè)物體與傳感器之間的距離，c代表超聲波在空氣中的速度，t代表脈沖波由發(fā)射到接收的時(shí)間差[6].

2.2 蜂鳴器報(bào)警電路接口設(shè)計(jì)

報(bào)警電路蜂鳴器使用30 mA驅(qū)動(dòng)電流，因STM32的單個(gè)IO最大可提供25 mA的電流，故需要使用驅(qū)動(dòng)電路.采用三極管擴(kuò)流驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，以不到1 mA的電流就能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器.報(bào)警電路如圖5所示，用到一個(gè) NPN 三極管（S8050）驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，使用R60 防止蜂鳴器的誤發(fā)聲：PB8為高電平，蜂鳴器發(fā)聲；PB8為低電平，蜂鳴器停止發(fā)聲.

2.3 LCD顯示接口電路設(shè)計(jì)

TFTLCD顯示模塊，具有240*320的分辨率，電阻觸摸屏，16位并口驅(qū)動(dòng)，使用ILI9341進(jìn)行驅(qū)動(dòng).TFTLCD模塊采用16位的并型總線方式與嵌入式芯片連接[7]，如圖6所示.

8080并口通信流程：按數(shù)據(jù)類型更改RS電平，高電平為數(shù)據(jù)、低電平為命令.拉低片選，選中LCD.根據(jù)是讀數(shù)據(jù)，還是寫(xiě)數(shù)據(jù)，置RD/WR為低.進(jìn)行讀數(shù)據(jù)時(shí)，在RD的上升沿，讀取數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)（D[15∶0]）；進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，在WR的上升沿，寫(xiě)入數(shù)據(jù)到LCD.

3 AOA定位算法解釋

AOA定位算法被稱為三角測(cè)量，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和多個(gè)接入點(diǎn)間的角度進(jìn)行定位.需要通過(guò)移動(dòng)設(shè)備測(cè)量接收點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位和角度，然后通過(guò)三角測(cè)量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置.

3.1 工作原理

如圖7所示，利用兩個(gè)接收器做AOA定位，移動(dòng)物體和測(cè)距裝置的關(guān)系如下：

將式（6）帶入式（5）即可計(jì)算出障礙物體方位坐標(biāo)信息.

4 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖軟件主要完成：系統(tǒng)初始化、發(fā)出控制信號(hào)、檢測(cè)返回信號(hào)、計(jì)算分析、結(jié)果顯示及報(bào)警功能.

傳感器需要使用觸發(fā)信號(hào)才能完成距離的測(cè)量[7]，使用了PC8，PC6控制信號(hào)口分別控制T1和T2的觸發(fā).從時(shí)間先后上面區(qū)分T1和T2發(fā)出的脈沖信號(hào)，先讓T1發(fā)，在T1信號(hào)發(fā)射完畢后使用R1對(duì)T1信號(hào)進(jìn)行接收.確定R1接收完畢后，再令T2發(fā)射信號(hào)，然后由R2接收信號(hào).

在計(jì)算過(guò)程中完成的是對(duì)每次返回信號(hào)的脈沖寬度計(jì)算處理.計(jì)算T1R1和T2R2這兩個(gè)組合（流程圖中以該法表示用以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)）的返回時(shí)間計(jì)算出距離；然后按照AOA算法計(jì)算出障礙物的坐標(biāo)信息；最后按照計(jì)算得到的距離進(jìn)行分級(jí)報(bào)警，軟件流程圖如圖9所示.

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

由于使用實(shí)際車輛測(cè)試成本代價(jià)昂貴，本實(shí)驗(yàn)采用試驗(yàn)小車測(cè)試，如圖10所示，得到倒車測(cè)試數(shù)據(jù).倒車預(yù)警系統(tǒng)與小車控制模塊為獨(dú)立模塊，實(shí)驗(yàn)小車上按照等距離安裝超聲波發(fā)送和接收裝置.采用鋰電池供電，使得測(cè)試更加方便.

5.1 距離精度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)小車采用紅外遙控控制，實(shí)驗(yàn)時(shí)只對(duì)其進(jìn)行前后控制操作進(jìn)行緩慢倒車.按照實(shí)際距離與雷達(dá)測(cè)量距離進(jìn)行對(duì)比，得到誤差，并觀察本裝置液晶屏實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)范圍.

表1為距離測(cè)試數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)中由于很多因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差.經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因是：一是超聲波在傳播時(shí)速度會(huì)受到傳播介質(zhì)密度、環(huán)境溫度的影響[9]；二是在測(cè)距的編寫(xiě)中采用計(jì)數(shù)的脈沖頻率高低會(huì)影響測(cè)距精度[10].本實(shí)驗(yàn)所用的雷達(dá)測(cè)量誤差<5%，作為普通雷達(dá)其測(cè)量范圍、測(cè)量精度符合實(shí)際需要.

5.2 定位區(qū)域塊標(biāo)定測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用實(shí)驗(yàn)小車如圖10所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行位置標(biāo)定處理，畫(huà)出0.5 m，1.0 m，2.0 m三條等距離線，用作距離提示作對(duì)比，>2.0 m為注意距離，1.0 m～2.0 m為警告距離，0～1.0 m為危險(xiǎn)距離.在LCD屏上顯示如圖11所示.將實(shí)驗(yàn)小車尾部中心放置于原點(diǎn)，改變障礙物所在位置，觀察屏幕顯示，并記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

從表2可以看出由于物體的重心和物體的表面之間存在一定的距離，導(dǎo)致測(cè)量值小于實(shí)際設(shè)定值.隨著物體距離與雷達(dá)傳感器距離的增加，其計(jì)算誤差逐漸降低.

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前倒車系統(tǒng)無(wú)法完成障礙物方位信息檢測(cè)，提出了一種新的倒車預(yù)警系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了軟硬件平臺(tái).系統(tǒng)使用STM32芯片保證了很好的實(shí)時(shí)性，采用多路超聲波雷達(dá)檢測(cè)提高了測(cè)量精度，分區(qū)域顯示障礙物方位信息增加了位置顯示的直觀性[11]，使用不同的報(bào)警提示音針對(duì)不同距離段增加了距離信息的獲取途徑[12].通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)測(cè)距誤差小于6%，能完成障礙物區(qū)域信息檢測(cè)及顯示功能.相比市面上的倒車?yán)走_(dá)，功能更加齊全，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，可以推廣應(yīng)用于低檔轎車、貨車等車輛.

參考文獻(xiàn)

[1] 高月華.基于超聲波汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2011，33（3）：429-431，435.

[2] 李娣娜，劉麗麗，薛寧?kù)o，等.一種新超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（1）：34-36.

[3] 陳婷，梁懿，劉建國(guó)，等.多普勒計(jì)程儀用換能器匹配技術(shù)的研究[J].壓電與聲光，2013，35（2）：215-217.

[4] 楊斌，鄭翔驥，佘明輝.基于單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2015（19）：167-170.

[5] 沈燕，高曉蓉，孫增友，等.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（7）：126-129.

[6] 勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25（9）：26-28.

[7] 夏繼強(qiáng)，鄭昆，鄭健峰，等.基于STM32的收發(fā)一體式超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（8）：43-45，52.

[8] 榮少巍.基于STM32的實(shí)收實(shí)發(fā)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（9）：54-58.

[9] 苑潔，常太華.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（15）：76-78，82.

[10] 劉昕.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子制作，2013（16）：10.

[11] 吳列軍，譚光興，宋旸.基于ARM9的無(wú)線智能車載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22（4）：26-29，34.

[12] 侯鴻佳，蔡啟仲，陳文輝，等.ARM+FPGA組成的PLC結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，23（1）：14-19.

Design of an anti-collision system for reversing radar based on STM32

PAN Sheng-hui， CAO Peng， WU Tian-tian， ZHOU Huang-qian， XU Ming-wu

（School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to acquire vehicle rear environment timely， a kind of ultrasonic warning system is designed based on STM32. The obstacles of distance and azimuth is detected with 2 groups of ultrasonic sensors according to the sender and the receiver points area detection， and the position and azimuth of obstacles of multiple sensor information fusion is displayed with accurate sound and light alarm according to the division of three alarm levels. The experimental result shows the measurement with less error， high precision and sensitivity to meet the actual needs of the market at present.

Key words： auto back-up aid； distance detection； ultrasonic distance measurement； location

（學(xué)科編輯：黎 婭）