【摘 要】本文研究設(shè)計(jì)了一種高精度的倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)采用小波束角動(dòng)態(tài)掃描的探測(cè)方式，極大地減少了探測(cè)盲區(qū)，并可在探測(cè)過(guò)程中檢測(cè)到障礙物的大致方位，有效提高了探測(cè)精確度，能夠?qū)Φ管?chē)防撞起到很好的輔助作用。

【關(guān)鍵詞】高精度 倒車(chē)防撞 預(yù)警系統(tǒng) 超聲波測(cè)距 小波束角

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）03C-0189-02

隨著汽車(chē)的普及以及汽車(chē)價(jià)格的平民化，汽車(chē)已經(jīng)成為很多家庭的標(biāo)配，然而伴隨著出行方便的同時(shí)，停車(chē)問(wèn)題卻變得嚴(yán)峻起來(lái)。汽車(chē)數(shù)量的增多使得停車(chē)空間越來(lái)越小，在狹小的空間停車(chē)常常令有車(chē)一族無(wú)所適從，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)也難免會(huì)在倒車(chē)時(shí)因?yàn)橐暰€盲區(qū)等各種原因發(fā)生刮蹭。因此，輔助倒車(chē)系統(tǒng)成了很多品牌車(chē)型必備配置，也是許多車(chē)主必選的一項(xiàng)加裝設(shè)備。

一、倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)工作原理

倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)也稱為泊車(chē)輔助裝置，俗稱倒車(chē)?yán)走_(dá)，是汽車(chē)在倒車(chē)或者泊車(chē)時(shí)的安全輔助設(shè)備，可以通過(guò)聲音、數(shù)字、圖片、影像等方式告知駕駛員汽車(chē)四周?chē)系K物的情況，幫助駕駛員解決倒車(chē)、泊車(chē)時(shí)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(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)多采用波型信號(hào)探測(cè)距離實(shí)現(xiàn)。發(fā)射一種波型或信號(hào)，當(dāng)該波型或信號(hào)遇到障礙物時(shí)會(huì)反射回來(lái)，由此得知是否有障礙物及障礙物與車(chē)的距離。超聲波是一種能量消耗緩慢、傳播距離遠(yuǎn)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(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，可靠性好，成本低廉，因而廣泛應(yīng)用于各種倒車(chē)?yán)走_(dá)中。

系統(tǒng)發(fā)出超聲波，超聲波遇障礙物后反射回來(lái)，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(shí)間間隔為t，則根據(jù)公式可計(jì)算出障礙物與汽車(chē)之間的距離。在空氣中傳播時(shí)，聲波的傳播速度會(huì)受到濕度、溫度、氣壓等因素的影響，其中溫度對(duì)聲波速度的影響最大，若要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其關(guān)系為。一般情況下，倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)不需要精確到毫米級(jí)別，故可不進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

二、現(xiàn)有倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)的缺陷

目前國(guó)內(nèi)做倒車(chē)?yán)走_(dá)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(cè)盲區(qū)過(guò)大。倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)工作時(shí)，是由超聲波傳感器發(fā)出超聲波的，它發(fā)出超聲波時(shí)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(qiáng)，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(kāi)面積大小的參數(shù)我們用波束角來(lái)表示，它指能量密度達(dá)到峰值能量密度一半處的錐形寬度。在這個(gè)錐形寬度內(nèi)的障礙物能夠比較有效的探測(cè)到，而在這個(gè)錐形寬度之外波能量過(guò)于分散，無(wú)法產(chǎn)生有效的回波，也就無(wú)法較準(zhǔn)確的探測(cè)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(wèn)題，倒車(chē)?yán)走_(dá)都采用了增加傳感器數(shù)量的方式來(lái)實(shí)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(gè)傳感器和用4個(gè)傳感器的探測(cè)范圍，白色部分代表盲區(qū)。現(xiàn)有倒車(chē)?yán)走_(dá)多采用4個(gè)傳感器來(lái)探測(cè)，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(huì)增加成本，故通過(guò)增加傳感器數(shù)量的方法并不是解決盲區(qū)過(guò)大的最佳方法。

（二）探測(cè)指向性不強(qiáng)。通過(guò)上圖可以看出，只要是在超聲波探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)的障礙物都可以被檢測(cè)到，但這個(gè)障礙物具體在哪個(gè)位置卻檢測(cè)不出。根據(jù)超聲波測(cè)距原理可知，超聲波遇到障礙物后反射回來(lái)，我們可以知道障礙物與汽車(chē)的距離，但這個(gè)測(cè)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(gè)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(gè)距離沒(méi)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(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)的缺陷，本設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)做了一些改進(jìn)。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。本設(shè)計(jì)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(hào)的單片機(jī)；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(bào)警模塊，如圖2所示。單片機(jī)的輸出口分別與超聲波發(fā)射模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊連接，單片機(jī)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(jí)放大器，單片機(jī)的輸出口與三級(jí)放大器連接，三級(jí)放大器與超聲波發(fā)射傳感器連接。單片機(jī)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L(zhǎng)CD液晶顯示屏。報(bào)警模塊為語(yǔ)音報(bào)警器，當(dāng)障礙物與汽車(chē)距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

其工作原理為：倒車(chē)過(guò)程中若遇到障礙物，單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過(guò)三級(jí)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(jī)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(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)，傳送到單片機(jī)計(jì)算出汽車(chē)與障礙物的距離并通過(guò)顯示LCD液晶顯示屏顯示出來(lái)，報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)定的距離提供不同的語(yǔ)音報(bào)警。

（二）采用小波束動(dòng)態(tài)掃描。要解決探測(cè)盲區(qū)過(guò)大和探測(cè)指向性不強(qiáng)的問(wèn)題，達(dá)到高精度判斷障礙物位置，關(guān)鍵要改進(jìn)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(jìn)行掃描；而要指向性明確，卻需要小波束角進(jìn)行掃描，可見(jiàn)波束角的選擇在減少盲區(qū)和指向性明確這兩個(gè)目的上不能很好地統(tǒng)一。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)合動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行障礙物的探測(cè)。

在設(shè)計(jì)中選擇波束角為5°的小角度波束角，目的是為了使探測(cè)能有指向性。波束角減小以后傳感器探測(cè)到的范圍大大減小，當(dāng)探測(cè)到障礙物時(shí)不但可以知道它與汽車(chē)的距離，還可以知道它的方位。若只是用小波束角進(jìn)行掃描，必定會(huì)因掃描范圍過(guò)小而產(chǎn)生很大的盲區(qū)，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將小波束角掃描與動(dòng)態(tài)掃描相結(jié)合來(lái)進(jìn)行掃描，也就是讓超聲波傳感器在不同的方向上動(dòng)起來(lái)。實(shí)現(xiàn)方式是讓超聲波傳感器用步距角為7.5°的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)周期共驅(qū)動(dòng)20次，這樣每個(gè)周期傳感器的探測(cè)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(gè)掃描周期中，超聲波傳感器在初始位置處完成一個(gè)5°的掃描，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°，然后傳感器完成第二個(gè)5°的掃描，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再次轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°，如次反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)20次，超聲波傳感器一共會(huì)在21個(gè)不同的方向上進(jìn)行探測(cè)，可以得到21個(gè)連續(xù)的探測(cè)信息，有效探測(cè)范圍總共為150°。如圖3所示。因?yàn)樘綔y(cè)范圍被細(xì)分成了21個(gè)方位，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物得知其距離時(shí)，結(jié)合當(dāng)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(cè)精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器有兩個(gè)方向上的探測(cè)，故傳感器的探測(cè)角度為5°×2=10°，這個(gè)角度大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度7.5°，所以每次的轉(zhuǎn)動(dòng)并不會(huì)產(chǎn)生未被掃描到的遺漏區(qū)域。

（三）系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。小波束角結(jié)合動(dòng)態(tài)掃描的方式很好地解決了以往倒車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)盲區(qū)大和指向性不明的缺陷，但因?yàn)檫@種掃描方式在每個(gè)周期中要掃描21次，總共花費(fèi)的時(shí)間比以往要長(zhǎng)一些。為了使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間快，本設(shè)計(jì)同時(shí)采用了30°波束角單次掃描與5°小波束角動(dòng)態(tài)掃描兩種超聲波傳感器。汽車(chē)尾部的4個(gè)超聲波傳感器，有兩個(gè)采用30°波束角單次掃描方式來(lái)探測(cè)，有兩個(gè)采用5°小波束角動(dòng)態(tài)掃描方式來(lái)探測(cè)。汽車(chē)后視鏡可以輔助看到一些倒車(chē)情況，故汽車(chē)尾部?jī)蓚?cè)的超聲波傳感器采用30°波束角單次掃描，汽車(chē)尾部中間的超聲波傳感器采用5°小波束角動(dòng)態(tài)掃描來(lái)減小盲區(qū)，兩種掃描方式相互協(xié)調(diào)相互補(bǔ)充。除了硬件設(shè)計(jì)方面，軟件編程上也對(duì)系統(tǒng)處理時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。

總之，本設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)單次掃描與小波束角動(dòng)態(tài)掃描相結(jié)合來(lái)完成障礙物探測(cè)，提出的小波束角動(dòng)態(tài)掃描有效地減少了盲區(qū)，同時(shí)能夠探測(cè)出障礙物的大致方位，極大地增強(qiáng)了探測(cè)精確度，能夠?qū)Φ管?chē)防撞起到很好的輔助作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋偉，潘仲明，孔雅瓊，等.小波束角超聲測(cè)距儀的研制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008（4）

[2]劉海峰.汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)全接觸[J].汽車(chē)電器，2007（12）

[3]肖炎根.基于單片機(jī)超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用2008（7）

【專利項(xiàng)目】中國(guó)專利號(hào)（ZL201520003721.8）

【作者簡(jiǎn)介】藍(lán)芳芳（1985— ），女，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院專任教師，研究方向：電子信息、汽車(chē)電子。

（責(zé)編 盧 雯）