陸城富，許宜申，吳茂成

(蘇州大學 物理與光電·能源學部，蘇州 215006)

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基于超聲波測距的二維倒車雷達系統(tǒng)設計

陸城富，許宜申，吳茂成

(蘇州大學 物理與光電·能源學部，蘇州 215006)

摘要:針對現(xiàn)有一維倒車雷達系統(tǒng)無法探測地面路況的問題，設計了一款基于超聲波測距的二維倒車雷達系統(tǒng)。兩列超聲波探頭分別監(jiān)測車后方水平障礙物和車后方地面障礙物，對系統(tǒng)的地面監(jiān)測即超聲波斜面測距給出了理論依據，若車后方有障礙物，則系統(tǒng)發(fā)出語音提示。實驗測試結果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)車距在水平方向3～400 cm 的準確測距，同時對地面出現(xiàn)的障礙物與凹坑有較高辨識能力，系統(tǒng)可靠性高。

關鍵詞:超聲波測距；斜面測距；二維雷達；語音報警

引言

近年來，隨著經濟的迅速發(fā)展，汽車作為便捷的交通工具已進入越來越多的家庭，同時，由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多。倒車時，車內、外的反光鏡可以擴展駕駛員的視野，但是汽車后方的障礙物，以及由于高度不足，通過反光鏡看不到的障礙物都可能處于駕駛員的視野死角中。據相關調查統(tǒng)計，15%的汽車碰撞事故都是由倒車時汽車的后視能力缺乏造成的[1]。

本文針對一維倒車雷達系統(tǒng)的主要缺陷，設計了一款基于超聲波測距的二維倒車雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)可及時辨別汽車后方凸起、懸崖以及后方處于駕駛員盲區(qū)內的其他障礙物，同時所加入的智能語音報警功能，可及時提示駕駛員車后的具體情況。

1系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由STC89C52單片機、超聲波水平測距模塊、超聲波地面監(jiān)測模塊、穩(wěn)壓電源模塊、溫度補償、智能語音報警模塊及液晶顯示電路等組成，系統(tǒng)總體設計原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設計原理框圖

系統(tǒng)工作原理如下：汽車掛倒檔，系統(tǒng)通電啟動完成初始化。由于聲速與溫度有關，使用溫度傳感器測量現(xiàn)場溫度，并送回單片機進行聲速補償。超聲波水平測距模塊從汽車尾部向水平方向發(fā)射超聲波，超聲波地面監(jiān)測模塊從汽車尾部方向發(fā)射超聲波(安裝角與水平面成60°)。超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物時會產生出回波，回波分別由超聲波水平測距模塊和超聲波地面監(jiān)測模塊接收?；夭ń涍^前置放大、帶通濾波、電壓比較器后，由單片機檢測回波到達的時刻，并計算超聲波從發(fā)射到接收所使用的時間(即渡越時間)，由此計算出車尾與障礙物的距離。距離實時顯示在液晶顯示屏上，并通過智能語音報警模塊發(fā)出提示語音。

2主要硬件模塊設計

2.1超聲波水平測距模塊設計

采用超聲波收發(fā)一體測距模塊HC-SR04完成測距任務，此模塊包括超聲波發(fā)射探頭、接收探頭、控制電路，能夠實現(xiàn)3~400 cm距離測量。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波頻率為40 kHz，波束角為30°，探測范圍為軸向±30°的弧狀區(qū)域。

超聲波水平測距時，3個超聲波模塊以等間距方式排列,每個超聲波模塊的TRIG和ECHO引腳分別與單片機I/O口相連。單片機依次給TRIG引腳一個大于10 μs的高電平，這樣超聲波測距模塊就可以給發(fā)射探頭8個40 kHz的周期電平，此時發(fā)射探頭發(fā)出超聲波。接收探頭檢測到回波后，ECHO引腳輸出一個與超聲波從發(fā)射到接收所用時間T相同的高電平[2]，高電平時間T通過單片機內部定時器0加以采集。當單片機采用12 MHz的外部晶振時，每執(zhí)行一個機器周期則需要1 μs，計數加1需要一個機器周期，所以通過定時器計算得到的時間T(單位s)為：

其中，T為超聲波從發(fā)射到接收所用的時間，TH0與TL0分別表示單片機定時器0的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器值。探頭與障礙物間的距離S為：

系統(tǒng)運行時，超聲波水平測距電路中的3個超聲波測距模塊依次發(fā)出超聲波，間隔至少大于60 ms，以保證超聲波回波不會相互影響。超聲波水平測距模塊工作圖，如圖2所示。

圖2　超聲波水平測距模塊示意圖

2.2超聲波地面監(jiān)測模塊設計

圖3　反射波返回探頭的極限情況示意圖

超聲波測距的關鍵是探頭要接收到回波,探頭發(fā)出的聲波沿直線傳播，遇到不同介質的界面會產生反射和散射現(xiàn)象。聲波向斜面入射時，反射波會沿著反射角方向傳播，可能并不指向探頭。圖3是反射波返回探頭的極限情況。

該情況下，H為可測距離，α為界面傾角，接收發(fā)射探頭距離之間的關系為[3]：

當界面傾角α為30°、O1O2為38 mm時，探頭只能在H小于32.9 mm時才能接收到反射波，實際斜面測量距離遠大于此距離，所以實際測量中反向散射波成為回波的主要成分。超聲波測距時，對于具有一定傾斜角度的粗糙斜面，不計聲傳播衰減時的散射回波強度為[4]：

其中，Is為散射回波；W0為超聲波探頭發(fā)射功率；v為軸向集中系數，其與輻射面的形狀有關，如為圓形輻射面，則v=π·d/λ；H為探頭到斜面的垂直距離；Δθ為波束角；β為入射波傾角。

由式(5)可知：在探頭發(fā)射功率、軸向集中系數以及波束角固定不變的情況下，散射回波強度與測量距離、入射波傾角有關。當β=60°時，散射回波能量較β=90°時的情況減少不多，依舊能夠進行回波檢測。

將3個超聲波模塊HC-SR04固定在系統(tǒng)尾部，與地面成60°夾角，在實際的汽車倒車系統(tǒng)中，此模塊可以安裝在車尾的合適處。探頭安裝側視圖和正視圖如圖4所示。

圖4　探頭安裝示意圖

2.3溫度補償模塊設計

超聲波在空氣中以縱波方式傳播，其傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成分的影響，其中溫度對聲速影響較大[5]?？紤]溫度對聲波速度影響時，聲波在空氣中的傳輸速率為：

其中，V為聲速，T為攝氏溫度。

采用美國DALLAS公司數字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)對環(huán)境溫度測量，根據測得的溫度對聲速進行校正，以減小環(huán)境溫度對聲速的影響。DS18B20所構成的溫度補償電路具有體積小、電路簡單、測量精度高等優(yōu)點，只需連接到單片機的一個I/O端口就能實現(xiàn)與單片機之間的雙向通信，測溫范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃溫度范圍內的精度可達±0.5 ℃。

2.4智能語音報警模塊設計

采用NV020多功能語音芯片作為語音報警模塊的核心元件。該芯片工作電壓范圍為2.7～3.6 V，內建16位D/A音頻輸出，自帶內部濾波音頻功放，可以直接驅動8 Ω/0.5 W的揚聲器，具有高音質、低噪聲的特點，可構成按鍵控制模式、一線串口連接以及三線串口連接3種工作方式。使用時，只需通過單片機尋址所存儲的提示語音即可實現(xiàn)調用播放，發(fā)送不同命令碼可實現(xiàn)音量調節(jié)、語音播放、暫停等功能。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計以Keil C51為集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言模塊化方式進行系統(tǒng)應用程序編寫，軟件流程如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件設計流程圖

汽車掛倒檔時系統(tǒng)上電，首先完成單片機、超聲波測距模塊、數字溫度傳感器及LCD顯示屏的初始化設置，如具體工作模式、顯示方式等。然后，利用溫度傳感器對當前環(huán)境溫度進行實時采集以實現(xiàn)聲速校正。然后超聲波水平測距模塊檢測與車后障礙物的水平距離，當檢測到的水平距離小于系統(tǒng)所設定的安全距離時，立即啟動水平距離提示語音，提醒駕駛人員立即停止繼續(xù)倒車。

同時，超聲波地面監(jiān)測模塊測量汽車尾部與地面成60°處的距離，并判斷該距離是否發(fā)生突變。若檢測到的地面距離發(fā)生突變，則判斷語音報警模塊是否正在播放水平距離提示報警語音，若符合判斷，則立即停止水平提示報警語音的播放改為進行地面監(jiān)測語音報警，否則直接進行地面監(jiān)測語音報警。若沒有發(fā)生突變，則不進行語音報警提示，而將所檢測到的倒車時的水平與地面距離顯示在LCD顯示屏上，以便駕駛人員獲取相關的實時數據，提高倒車的安全性。

4實驗測試

系統(tǒng)性能實驗測試，包括水平測距與地面監(jiān)測兩大部分。系統(tǒng)水平測距的實驗數據如表1所列。其中，實際值為卷尺所測量的超聲波探頭與墻壁之間的距離，測量值為所設計系統(tǒng)中的LCD顯示值。由表1可知，系統(tǒng)可在3～400 cm實現(xiàn)水平距離準確測量測距，最大誤差僅為1.10%，滿足倒車需求。同時，經過多次測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)均可及時監(jiān)測出所設定的10 cm以上的凸起及凹坑，并給出相應提示語音警報，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

結語

通過斜面測距理論分析以及相關實驗可知，地面監(jiān)測模塊方向與地面夾角為60°時,滿足系統(tǒng)的精準性和實時性要求。

參考文獻

[1] 朱利娜.基于單片機的超聲測距倒車雷達的研究[J].微計算機信息, 2007, 23(8-2):110-111.

[2] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC-SR04的超聲波測距儀設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2011(10): 77-78.

[3] 黃天戌.超聲斜面測距的理論及試驗研究[J].武漢水利電力學院學報, 1988 (6):41-49.

[4] 高克成.超聲測量物位中的一些聲學問題[J].自動化儀表, 1998(11): 9-13.

[5] 王紅云.基于超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)設計[J].國外電子元器件, 2008(8): 69-70.

(責任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-05-11)

Two-dimensional Reversing Radar System Based on Ultrasonic Ranging

Lu Chengfu,Xu Yishen,Wu Maocheng

(College of Physics,Optoelectronics and Energy,Soochow University,Suzhou 215006,China)

Abstract：In view of the problem of the ground obstacles can’t be detected by the existing one-dimensional reversing radar system,a two-dimensional reversing radar system based on ultrasonic ranging is designed.The level obstacles and the ground obstacles in the rear of the car are detected by two columns of ultrasonic probe.The theory of ground monitoring or inclined plane distance measuring is given in the paper.Voice prompt is given when obstacles appear.The experimental results show that the measured data is between 3~400 cm and the obstacles and pits on the ground could be detected with a high identification.

Key words:ultrasonic ranging;inclined plane distance measuring;two-dimensional radar;voice alarm

中圖分類號:TB559

文獻標識碼:A