多方位超聲波倒車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘康福， 周西峰， 郭前崗

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

目前由于輔助倒車?yán)走_(dá)設(shè)備普遍比較昂貴，且只能探測(cè)水平方向，許多大貨車等未裝倒車系統(tǒng)[1,2]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種低成本、性能好的超聲倒車輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)包含8個(gè)超聲探頭，除了可以像傳統(tǒng)超聲雷達(dá)檢測(cè)水平方向障礙物之外，還可以探測(cè)地面是否有凸起或者溝壑以及車后上方是否有障礙物。若有障礙物，通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示距障礙物的距離并顯示障礙物類型。一旦距離障礙物小于設(shè)定的距離，報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警提示。該系統(tǒng)成本低，可以安裝在大貨車等車型上，提高倒車安全。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由控制單元、超聲波探測(cè)模塊組、溫度補(bǔ)償模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)設(shè)置模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等組成。其中超聲波模塊組共有8個(gè)探頭，分成3組，分別用于探測(cè)水平方向、地面以及斜向上方的障礙物。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

工作過(guò)程中當(dāng)汽車掛倒擋時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟?？刂茊卧刂?個(gè)超聲探頭輪流發(fā)射超聲波，超聲波遇到障礙物反射并被接收。根據(jù)超聲波在空氣中的傳輸時(shí)間計(jì)算出超聲探頭與障礙物的距離。并將計(jì)算出的數(shù)值通過(guò)LCD1602顯示屏顯示，控制單元比較所測(cè)距離與設(shè)定的安全距離，然后命令報(bào)警模塊發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示。鑒于超聲波傳播速度受溫度變化影響較大，系統(tǒng)加入了溫度補(bǔ)償模塊以校正聲速。

2 探測(cè)原理

系統(tǒng)探測(cè)的原理示意如圖2所示。將8個(gè)超聲探頭分為3組，分別用于探測(cè)地面、空中及水平方向障礙物。探頭朝向如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)探測(cè)原理

探測(cè)地面障礙物的探頭距地面高度為h1，則正常無(wú)障礙物情況下探頭到地面的距離H2為H2=h1/sin 45°。

將地面安全閾值設(shè)置為15 cm。當(dāng)測(cè)得的距離大于(H2+15)cm時(shí)，判定路面有凹陷；當(dāng)值小于(H2-15)cm時(shí)，判斷地面有凸起障礙。

已知車體高度為H，斜向上探頭距離斜向下探頭的豎直距離為h0。則根據(jù)三角關(guān)系可以得到斜向上方向探頭有障礙的臨界距離H1=(H-h1-h0)/cos 45°。

當(dāng)所測(cè)距離小于H1時(shí)，表示車的后上方有障礙物，提示司機(jī)小心。鑒于車型不同，探頭安裝位置亦不同。其中的H，h1，h0應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)數(shù)據(jù)設(shè)置模塊進(jìn)行設(shè)置。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

為了精簡(jiǎn)電路，設(shè)計(jì)直接采用了集成的超聲波測(cè)距模塊HC—SR04，模塊可提供2～400 cm的距離測(cè)量，測(cè)距精度可達(dá)3 mm。該模塊共有4個(gè)引腳，控制單元只要給TRIG接口輸入時(shí)間達(dá)到10 μs的高電平信號(hào)，模塊內(nèi)部就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生8個(gè)40 kHz的脈沖。在此之后，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波信號(hào)，同時(shí)回響輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖?。?dāng)發(fā)出的超聲波信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái)被超聲模塊接收到以后，回響信號(hào)會(huì)變?yōu)榈碗娖?。高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波在空氣中的傳輸時(shí)間。在已知聲速時(shí)，可由渡越時(shí)間法[3]求出探頭到障礙物的距離。

本系統(tǒng)的超聲波測(cè)距模塊具有8個(gè)探頭，HC—SR04的回聲(ECHO)信號(hào)均需要接入單片機(jī)的外部中斷，因此，必須分時(shí)復(fù)用。如圖3所示，本系統(tǒng)選用了一個(gè)74HC151多路信號(hào)復(fù)用芯片[4]，可以按照單片機(jī)的命令，分時(shí)將8個(gè)探頭的ECHO端與單片機(jī)的外部中斷口進(jìn)行連通。

圖3 超聲模塊電路

3.2 顯示模塊設(shè)計(jì)

選用LCD12864液晶顯示屏作為顯示模塊，采用串行連接方式[5]。顯示模塊在本系統(tǒng)中主要起顯示3個(gè)方向探頭與障礙物的距離的作用。當(dāng)探測(cè)到地面上有溝壑或凸起時(shí)，不僅顯示距離，還漢字顯示障礙物類型，車后上空有障礙物時(shí)也會(huì)配合報(bào)警裝置漢字提示。

3.3 溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

超聲波在空氣中傳播聲速受溫度影響較大[6]，需要測(cè)量環(huán)境溫度以校正聲速，減小環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。傳感器具有體積小、電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。只需要占用單片機(jī)一個(gè)輸入/輸出(I/O)口即可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

3.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

主要采用ISD1700語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)語(yǔ)音報(bào)警電路。ISD1700系列語(yǔ)音芯片具有集成度高、性能好的優(yōu)點(diǎn)。不僅音質(zhì)好，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多段錄音，可以很好地滿足實(shí)際需求。當(dāng)超聲波探測(cè)到障礙物，語(yǔ)音模塊能夠根據(jù)障礙物類型發(fā)出相應(yīng)的提示信息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)[7]，主工作流程如圖4所示。車子掛倒擋，系統(tǒng)啟動(dòng)，首先將各個(gè)模塊初始化。首先1個(gè)探頭發(fā)射超聲波，延遲等待是否收到回波。如果有回波，記錄下超聲波從發(fā)射到接收到的時(shí)間，再根據(jù)溫度補(bǔ)償校正過(guò)的聲速，計(jì)算出到障礙物的距離并顯示，如果發(fā)現(xiàn)障礙物，在顯示屏上顯示是什么障礙，8個(gè)探頭循環(huán)工作。

圖4 主流程

3個(gè)方向上探頭報(bào)警的軟件設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

1)水平方向探頭：當(dāng)探測(cè)距離小于預(yù)設(shè)安全距離時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

2)斜向下方向探頭：當(dāng)探測(cè)距離d滿足d

3)斜向上方向探頭：當(dāng)探測(cè)距離d

各個(gè)方向上的臨界安全距離與設(shè)定的安全閾值運(yùn)算后得到的即為對(duì)應(yīng)方向上的安全距離。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)水平測(cè)距實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)量距離為系統(tǒng)顯示屏上顯示的距離?？梢钥闯?，最大相對(duì)誤差為1.60 %，基本可以滿足倒車需求。

表1 系統(tǒng)水平測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超聲倒車防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、測(cè)距精度高。不同于常見(jiàn)的雷達(dá)只能探測(cè)水平方向，此系統(tǒng)還能探測(cè)地面及空中的障礙物。當(dāng)有障礙物出現(xiàn)的時(shí)候，系統(tǒng)不僅能通過(guò)顯示屏顯示車距障礙物的距離，還能提示障礙物的大致方位及類型，可以有效輔助司機(jī)倒車，避免擦頂及陷進(jìn)溝壑等情況的發(fā)生。此系統(tǒng)十分適合于大型車輛使用，具有一定的研究與應(yīng)用價(jià)值。