基于超聲波測距的模擬自動跟車系統(tǒng)設(shè)計

李亞蘭

摘要：隨著ADAS技術(shù)研究的深入，自動跟車系統(tǒng)的設(shè)計成為研究的重點，而跟車過程中，跟車距離的實時調(diào)整性成為技術(shù)的難點。本文采用超聲波測距和程序PWM調(diào)整的方法實現(xiàn)跟車行進中的實時性。系統(tǒng)通過超聲波傳感器測量距離，L298N為電機驅(qū)動模塊，以單片機為控制器，實現(xiàn)跟車的速度和距離的精確控制，同時用LCD1602顯示當(dāng)前的距離值。

關(guān)鍵詞：ADAS;自動跟車;超聲波測距

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0244-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，交通安全問題日益嚴(yán)重，將智能控制技術(shù)引入車載系統(tǒng)成為降低交通事故的一種重要手段，因此，汽車先進輔助駕駛系統(tǒng)[1]成為全球汽車電子研究的熱點，自動跟車技術(shù)則為該輔助駕駛系統(tǒng)的主要部分，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、霧霾以及被測對象顏色等因素的影響，在較惡劣的環(huán)境下具有很強的適應(yīng)能力，因此文中的自動跟車設(shè)計采用超聲波傳感器測距，再通過所測距離自動調(diào)整與前車的距離和跟車的速度，形成一種閉環(huán)式的自動控制系統(tǒng)，達到不撞車、不丟車的跟車狀態(tài)。

1系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由MCU、L298N電機驅(qū)動、HC-SR04超聲波傳感器、LCD1602顯示屏、電源電路組成。超聲波傳感檢測本車與前車的實時距離，本文采用兩個超聲波模塊，分別放在小車的左前方和右前方;MCU發(fā)出測距指令、接受距離數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為PWM值輸出給電機驅(qū)動單元電路L298N，通過控制電動機的轉(zhuǎn)速達到控制小車加速、減速、轉(zhuǎn)向，并保持與前車的適當(dāng)距離。LCD1602用于顯示小車的行進狀態(tài)參數(shù)。

2 超聲波測距算法

本文采用時間差測距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。

假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，定時器記錄的時間為T，發(fā)射點距障礙物的距離為S，則：

在設(shè)計中，采用兩個超聲波傳感器分別放在小車的左前方和右前方，若兩個超聲波檢測的距離一樣，即兩個超聲波的差值為0，就代表前面的小車是在直線行駛，若兩個超聲波的差值不為0，就代表前面的小車在進行轉(zhuǎn)彎，根據(jù)兩個超聲波之間檢測距離較小的值為依據(jù)，可以判斷前方小車的轉(zhuǎn)彎方向。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1測距單元電路設(shè)計

HC-SR04超聲波傳感器測距范圍為2cm-400cm，測距精度3mm。該傳感器共四個引腳，分別為，電源、地、TRIG、ECHO;給TRIG端10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送頻率為40KHZ的8個脈沖，傳感器自動檢測是否有信號返回，通過ECHO端產(chǎn)生輸出指示信號，如果有收到返回信號則可輸出一個高電平給單片機，高電平持續(xù)的時間就是超聲波發(fā)射到返回的時間。

上圖中，R1，C3，R2構(gòu)成單片機高電平復(fù)位電路，C1，C2，Y1構(gòu)成單片機時鐘電路，HC-SR04第一腳為超聲波傳感器的TRIG信號，第三腳為超聲波傳感器的ECHO信號，在小車行進中，MCU通過P0.0輸出10微秒的高電平，HC-SR04發(fā)出8個脈沖，當(dāng)傳感器收到返回的超聲波時，P0.1為高電平，通過定時器得到高電平對應(yīng)的時間便可計算出所測距離值。

3.2驅(qū)動電路子系統(tǒng)電路設(shè)計

文中采用了兩個L298N芯片，分別控制小車兩邊的車輪電動機的驅(qū)動。L298N為雙H橋驅(qū)動芯片，驅(qū)動電流最大2A，提供最大功率20W，提供4路輸入信號，兩個使能端支持PWM調(diào)速，可以方便地控制直流電機速度和方向。

上圖中，電動機的驅(qū)動電壓為直流12V，IN1-IN4接單片機I/O口，高低電平分別對應(yīng)OUT1-OUT4高低電平; OUT1，OUT2接電動機B，OUT3，OUT4接電動機A，OUT1和OUT2之間有電壓差即一個為高一個為低，電動機才轉(zhuǎn)動，OUT3，OUT4同理;通過控制IN1、IN2的極性可以實現(xiàn)電動機B的正反轉(zhuǎn)、停止?fàn)顟B(tài)，從而實現(xiàn)車輪的前進、后退、停止動作;控制IN3、IN4的極性可以實現(xiàn)電動機A相應(yīng)的狀態(tài)。

ENA和ENB分別連接來自MCU的PWM信號，當(dāng)PWM占空比高時，則L298輸出的平均電壓高，電動機轉(zhuǎn)速則增高，反之則降低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)初始化、跟車開始以及跟車過程中各子流程的調(diào)用;整個程序包含六個子程序，分別為顯示子程序，超聲波測距子程序，距離計算及前車狀態(tài)判斷子程序，跟車距離在設(shè)定的范圍內(nèi)調(diào)整子程序，跟車距離在設(shè)定的范圍外調(diào)整子程序;如果與前車的距離在設(shè)定的范圍內(nèi)則只需要通過PWM調(diào)整與前車的跟車方向，如果在范圍外則需要通過時調(diào)整與小車的方向和速度，圖中給出了如果距離在跟車范圍內(nèi)的調(diào)整子程序流程。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于超聲波測距的小車跟車系統(tǒng)，在后車與前車方向角度小于30度時能實現(xiàn)15厘米到10米范圍的自動跟車，但在彎道跟車時，如果保持3米/秒的速度，小車最多能實現(xiàn)45度彎度的自動跟車，如果要提高跟車的準(zhǔn)確性，不丟車、不撞車，則可以對超聲波收發(fā)窗口進行機構(gòu)的重新設(shè)計和處理，如增寬測量角度，或采用超聲波傳感器陣列[3]同時測量，優(yōu)化軟件前后車方向判斷算法等。文中所設(shè)計的模擬自動跟車系統(tǒng)能較好地應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)中。

參考文獻：

[1] 張志強.ADAS的發(fā)展歷程及趨勢[J].內(nèi)燃機配件，2019.

[2] 徐江海.單片機應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 辛喆，鄒若冰，李升波，俞佳瑩，戴一凡，陳海亮.基于超聲波傳感器陣列的車輛周圍目標(biāo)物識別[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（12）.

【通聯(lián)編輯：光文玲】