倒車輔助系統(tǒng)的分類及最新發(fā)展

王尉丞

隨著社會的進步，我國汽車保有量逐年增加，倒車安全問題隨之而來。為了解決倒車安全問題，一系列倒車輔助系統(tǒng)應(yīng)運而生。本文主要介紹倒車輔助系統(tǒng)中的探測器和顯示器的功能及其發(fā)展歷程，并對其發(fā)展前景進行展望。

1.前言

在我國經(jīng)濟騰飛的大好背景下，小轎車逐漸為越來越多的國人所有。自上世紀(jì)八十年代以來，乘用車數(shù)量逐年增加，從數(shù)百萬到如今的數(shù)億之多僅僅用了三十多年的時間。如此龐大的汽車數(shù)量必然會導(dǎo)致一些問題，比如倒車時的安全問題。早期汽車車主倒車時，通常是只能借助后視鏡來判斷自己倒車軌跡上的路況，然而這是極不安全的。因為后視鏡往往會造成物像變形，導(dǎo)致駕駛員對后方情況判斷不準(zhǔn)；此外，車內(nèi)外的許多物件如雨刮器、后保險杠等使得后視鏡的實用性再度降低；最重要的是,無論后視鏡被設(shè)計得多么完美，車后方都一定會有一大片盲區(qū)。因此，在市場對汽車安全性與便利性的巨大需求下，倒車輔助系統(tǒng)應(yīng)運而生。

倒車輔助系統(tǒng)的主要部件有探測器、控制器、顯示器，本文著重研究其中的探測器和顯示器的功能及其發(fā)展歷程，并對其發(fā)展前景進行展望。

2.倒車輔助系統(tǒng)中探測器的分類

基于所利用的原理的不同，可將探測器分為以下幾類：

2.1 紅外線式

基于紅外線式探測器的倒車輔助系統(tǒng)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代。它們多具備電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、電路工作穩(wěn)定的優(yōu)點。紅外線式探測器主要包括紅外線發(fā)射裝置和接收裝置，紅外信號由安裝在汽車尾部的發(fā)射裝置發(fā)出，遇到障礙物發(fā)生反射，被同樣在汽車尾部的紅外信號接收管接收，從而判斷車后有障礙物。紅外線式探測器的最大缺陷是紅外線信號容易被擾亂，如果遇到某些易吸收紅外線的障礙物，它的功能將會大打折扣。此外，如果紅外線發(fā)射器上覆蓋了一層物體如灰塵等，它將會完全失靈。

2.2 電磁感應(yīng)式

電磁感應(yīng)式探測器相比于紅外線式探測器穩(wěn)定性更好，靈敏度更高。它主要是用貼在后保險杠內(nèi)側(cè)的線圈來感應(yīng)車后障礙物的情況。將車后障礙物和線圈之間視為氣隙，汽車在后退時，氣隙厚度就會發(fā)生變化，自感L也隨之發(fā)生改變。再通過測量電路將其轉(zhuǎn)化為電信號，系統(tǒng)便能檢測到障礙物的存在。電磁感應(yīng)式探測器隱蔽性好，且便于安裝，因而吸引了相當(dāng)一部分車主。但是這種探測器只能探測動態(tài)的障礙物，當(dāng)汽車與障礙物不發(fā)生相對運動時（例如汽車啟動前車尾已存在靜止的障礙物），氣隙厚度不再發(fā)生變化，障礙物便無法被檢測到。

2.3 超聲波式

上世紀(jì)九十年代，汽車倒車系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)了較大突破，工程師應(yīng)用超聲波系統(tǒng)進行倒車輔助。超聲波輔助系統(tǒng)具有工藝成熟、穩(wěn)定性好、靈敏度高、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。就當(dāng)前的技術(shù)而言，有三種不同的方法可以用于超聲波測距：渡越時間檢測法、相位檢測法和聲波幅值檢測法。其中，超聲波倒車輔助系統(tǒng)一般使用渡越時間檢測法。該方法檢測原理如下：發(fā)射器收到微處理器發(fā)出的指令后，鋁合金外殼便在瓷片的帶動下開始震動并向周圍發(fā)射超聲波，超聲波碰到障礙物后反彈，反彈回來的聲波又由同一瓷片和鋁合金接收（需要借助吸音材料來吸收來自四周不需要的音波），接收端便會測量出發(fā)送與接收超聲波的時間差，再依此計算出距離。它的弊端來源于聲波本身的特性，聲波在面對某些障礙物時會出現(xiàn)檢測不靈敏甚至完全失效，比如像棉花、雪等可以吸收聲波的物質(zhì)或邊緣面積較小的障礙物，超聲波就可能檢測不到。

2.4 激光式

激光式測距系統(tǒng)很好地彌補了之前幾類探頭的缺陷，該系統(tǒng)可以解決無法檢測靜態(tài)障礙物、信號易被擾亂、容易對由特殊材料制成或有特殊形狀的障礙物產(chǎn)生誤判等問題。同時駕駛員還可以根據(jù)自己身體情況的不同來調(diào)整激光角度，使得該系統(tǒng)更加具有普適性，有效地降低了由于駕駛員對車型不熟、身高視力不同等原因引起誤判的幾率。另外，該系統(tǒng)反饋的信息較為直觀，駕駛員較易處理，且成本較低，因此較受歡迎。其工作原理如下：該系統(tǒng)是基于駕駛員、障礙物、遮擋物三者間的三角函數(shù)關(guān)系進行工作的，在駕駛員泊車時，隨著車身與障礙物間的距離逐漸縮小，激光管照射在障礙物上的激光面逐漸向下移，與此同時，駕駛員望向障礙物的俯角也越來越大，此時駕駛員可以看見激光。而當(dāng)駕駛員無法看見激光時，說明障礙物與車的距離已經(jīng)過近，此時應(yīng)停車。

3.倒車輔助系統(tǒng)中顯示器的分類

3.1 第一代：蜂鳴器

蜂鳴器是一種將能電能轉(zhuǎn)化為聲波的電器元件，在生活中常被用于制作報警裝置。根據(jù)原理的不同，蜂鳴器一般分為壓電式和電磁式兩種類型。壓電式蜂鳴器的發(fā)聲元件是將壓電材料和振動金屬片粘合在一起形成的復(fù)合體，將電壓施加在壓電材料的兩個電極后，整個復(fù)合體便會產(chǎn)生變形（逆壓電效應(yīng)）。如果施加的是交變電壓，復(fù)合體便會因為反復(fù)變形而振動，從而發(fā)出聲響。電磁式蜂鳴器類似于收音機中的喇叭，通過向線圈施加交變電壓來產(chǎn)生變化的安培力，從而使蜂鳴器中的金屬膜產(chǎn)生振動，發(fā)出聲響。倒車時，只要接收到控制器的信號，蜂鳴器就會響起，但是并不能直觀顯示汽車與障礙物的距離，也就是說，駕駛員只知道車后有障礙物，但對障礙物的其他情況幾乎一無所知，所以它的實用性非常有限。

3.2 第二代：波段顯示

第二代通過加裝數(shù)碼或波段等裝置彌補了第一代無法顯示車與障礙物之間的距離的缺陷。數(shù)字顯示產(chǎn)品直接以數(shù)字的方式顯示距離，如果是帶顯示屏的產(chǎn)品則以不同的顏色顯示距離。通常用綠色表示障礙物與車身的距離為安全距離；用黃色表示車身與障礙物的距離為警告距離；用紅色表示障礙物與車身之間已經(jīng)非常接近了，危險較大。第二代顯示器實用性較高，但是安裝在車內(nèi)影響了車內(nèi)的美觀。

3.3 第三代：液晶屏

這一代產(chǎn)品質(zhì)量較上一代有了較大提升,其比較突出的性能是液晶顯示屏的動態(tài)顯示。液晶顯示屏外觀美觀緊湊,清晰明快。在倒車的時候,周圍障礙物的方向和距離和汽車模型的圖案會在顯示屏中實時顯示,從而給駕駛員更多的視覺上的提示。缺點是系統(tǒng)在抗干擾方面的性能不大理想，并且有許多誤報。

3.4 第四代：魔幻鏡倒車?yán)走_

第四代顯示器除了語音提示和動態(tài)模式提示外,關(guān)鍵是提高了抗干擾能力。這一代應(yīng)用了最先進的超聲波技術(shù),利用高速計算機來控制檢測2m的所有氣象障礙物。此外，還在汽車尾部加裝了廣角攝像頭，用以拍攝車后景象，消除盲區(qū)。如果車型本身帶有第四代產(chǎn)品，則攝像頭景象集成在中控顯示屏上顯示；如果魔幻鏡倒車?yán)走_是自行購買安裝的，一般將汽車原有后視鏡替換為顯示屏幕，用以顯示攝像頭景象。（當(dāng)不顯示時,它是普通的后視鏡,在顯示時變成屏幕。）

3.5 第五代：整合影音

這一代顯示器是專門為高檔汽車而生產(chǎn)的。相比第四代主要的優(yōu)點是集成了逆向軌跡的綜合顯示。它主要是通過攝像頭不斷拍攝汽車背后的情況,然后將圖像發(fā)送回主機。微處理器在接收到圖像信號、轉(zhuǎn)向角信號、車身轉(zhuǎn)角信號和速度信號之后,計算出一系列復(fù)雜的反向軌跡和距離。最后,通過在屏幕上顯示車輛的后部區(qū)域和合成的引導(dǎo)線來指導(dǎo)駕駛員進行倒車，在車輛緩慢后退時,引導(dǎo)線會隨之進行修改。

4.倒車輔助系統(tǒng)的最新發(fā)展——機器視覺

根據(jù)以上介紹，超聲波檢測系統(tǒng)并不完善，所以未來它一定會被更好的新技術(shù)所取代。根據(jù)目前最新的研究結(jié)果來看，機器視覺倒車輔助系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。所謂機器視覺，就是用機器代替人眼去搜集信號，用計算機代替人腦進行判斷。典型的機器視覺系統(tǒng)一般包括如下幾部分：

圖像采集單元：包括光源，攝像頭和圖像采集卡。光源用于使被測物的特征顯現(xiàn)，它直接決定了圖像采集的好壞，類似于生活中拍照需要閃光燈；攝像頭用于采集圖像；采集到的圖像信號需要進行存儲，所以要用到圖像采集卡。

圖像處理單元：在獲得圖像信號后，傳入圖像處理系統(tǒng)進行信號處理，以獲得目標(biāo)的顏色，亮度，像素等形態(tài)信息以及其他關(guān)鍵信息。再通過程序算法提取需要的目標(biāo)參數(shù)，傳遞給電控執(zhí)行單元。

電控執(zhí)行單元：接受命令信號，執(zhí)行相關(guān)操作。機器視覺有許多成功的例子,例如,車牌識別系統(tǒng)、自動焊縫跟蹤系統(tǒng)和活塞裝配視覺識別系統(tǒng)。至于在倒車輔助系統(tǒng)中，可以將超聲波技術(shù)和機器視覺技術(shù)有機地結(jié)合在一起,利用雙向檢測將大大提高倒車時的安全性和便利性。目前市場上已經(jīng)存在應(yīng)用了以超聲波和機器視覺為檢測手段的倒車輔助系統(tǒng)的新型汽車，例如雷克薩斯LS40L。在倒車時，首先使用超聲波檢測汽車后方的障礙物信息，以確保倒車安全，再結(jié)合攝像頭和圖像處理系統(tǒng)識別路邊的停車線，并通過程序算法匹配最合適的倒車路線。當(dāng)汽車自動把位置和距離檢測好后，駕駛員再按下確認鍵，倒車輔助系統(tǒng)便會代替人工操作，進行自動泊車。

5.結(jié)束語

倒車輔助系統(tǒng)自被發(fā)明至今一直在不斷更新，就目前而言，機器視覺是最好的倒車輔助系統(tǒng)，但我們相信機器視覺并不是倒車輔助系統(tǒng)的終點。在未來會有更好更強的倒車輔助系統(tǒng)，而開發(fā)它們的重擔(dān)，就落在了科技工作者身上。