王尉丞
隨著社會(huì)的進(jìn)步,我國(guó)汽車保有量逐年增加,倒車安全問(wèn)題隨之而來(lái)。為了解決倒車安全問(wèn)題,一系列倒車輔助系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹倒車輔助系統(tǒng)中的探測(cè)器和顯示器的功能及其發(fā)展歷程,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。
在我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的大好背景下,小轎車逐漸為越來(lái)越多的國(guó)人所有。自上世紀(jì)八十年代以來(lái),乘用車數(shù)量逐年增加,從數(shù)百萬(wàn)到如今的數(shù)億之多僅僅用了三十多年的時(shí)間。如此龐大的汽車數(shù)量必然會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題,比如倒車時(shí)的安全問(wèn)題。早期汽車車主倒車時(shí),通常是只能借助后視鏡來(lái)判斷自己倒車軌跡上的路況,然而這是極不安全的。因?yàn)楹笠曠R往往會(huì)造成物像變形,導(dǎo)致駕駛員對(duì)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(xiǎn)杠等使得后視鏡的實(shí)用性再度降低;最重要的是,無(wú)論后視鏡被設(shè)計(jì)得多么完美,車后方都一定會(huì)有一大片盲區(qū)。因此,在市場(chǎng)對(duì)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(yùn)而生。
倒車輔助系統(tǒng)的主要部件有探測(cè)器、控制器、顯示器,本文著重研究其中的探測(cè)器和顯示器的功能及其發(fā)展歷程,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。
基于所利用的原理的不同,可將探測(cè)器分為以下幾類:
基于紅外線式探測(cè)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(jiǎn)單、成本低、電路工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。紅外線式探測(cè)器主要包括紅外線發(fā)射裝置和接收裝置,紅外信號(hào)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(hào)接收管接收,從而判斷車后有障礙物。紅外線式探測(cè)器的最大缺陷是紅外線信號(hào)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(huì)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(huì)完全失靈。
電磁感應(yīng)式探測(cè)器相比于紅外線式探測(cè)器穩(wěn)定性更好,靈敏度更高。它主要是用貼在后保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)的線圈來(lái)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(shí),氣隙厚度就會(huì)發(fā)生變化,自感L也隨之發(fā)生改變。再通過(guò)測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào),系統(tǒng)便能檢測(cè)到障礙物的存在。電磁感應(yīng)式探測(cè)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(cè)器只能探測(cè)動(dòng)態(tài)的障礙物,當(dāng)汽車與障礙物不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)(例如汽車啟動(dòng)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(wú)法被檢測(cè)到。
上世紀(jì)九十年代,汽車倒車系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較大突破,工程師應(yīng)用超聲波系統(tǒng)進(jìn)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(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)距:渡越時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法和聲波幅值檢測(cè)法。其中,超聲波倒車輔助系統(tǒng)一般使用渡越時(shí)間檢測(cè)法。該方法檢測(cè)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(dòng)下開始震動(dòng)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(lái)的聲波又由同一瓷片和鋁合金接收(需要借助吸音材料來(lái)吸收來(lái)自四周不需要的音波),接收端便會(huì)測(cè)量出發(fā)送與接收超聲波的時(shí)間差,再依此計(jì)算出距離。它的弊端來(lái)源于聲波本身的特性,聲波在面對(duì)某些障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)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(cè)不到。
激光式測(cè)距系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了之前幾類探頭的缺陷,該系統(tǒng)可以解決無(wú)法檢測(cè)靜態(tài)障礙物、信號(hào)易被擾亂、容易對(duì)由特殊材料制成或有特殊形狀的障礙物產(chǎn)生誤判等問(wèn)題。同時(shí)駕駛員還可以根據(jù)自己身體情況的不同來(lái)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(duì)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(jìn)行工作的,在駕駛員泊車時(shí),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(shí),駕駛員望向障礙物的俯角也越來(lái)越大,此時(shí)駕駛員可以看見激光。而當(dāng)駕駛員無(wú)法看見激光時(shí),說(shuō)明障礙物與車的距離已經(jīng)過(guò)近,此時(shí)應(yīng)停車。
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(bào)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(dòng)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(gè)電極后,整個(gè)復(fù)合體便會(huì)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(huì)因?yàn)榉磸?fù)變形而振動(dòng),從而發(fā)出聲響。電磁式蜂鳴器類似于收音機(jī)中的喇叭,通過(guò)向線圈施加交變電壓來(lái)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(dòng),發(fā)出聲響。倒車時(shí),只要接收到控制器的信號(hào),蜂鳴器就會(huì)響起,但是并不能直觀顯示汽車與障礙物的距離,也就是說(shuō),駕駛員只知道車后有障礙物,但對(duì)障礙物的其他情況幾乎一無(wú)所知,所以它的實(shí)用性非常有限。
第二代通過(guò)加裝數(shù)碼或波段等裝置彌補(bǔ)了第一代無(wú)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(xiǎn)較大。第二代顯示器實(shí)用性較高,但是安裝在車內(nèi)影響了車內(nèi)的美觀。
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(dòng)態(tài)顯示。液晶顯示屏外觀美觀緊湊,清晰明快。在倒車的時(shí)候,周圍障礙物的方向和距離和汽車模型的圖案會(huì)在顯示屏中實(shí)時(shí)顯示,從而給駕駛員更多的視覺上的提示。缺點(diǎn)是系統(tǒng)在抗干擾方面的性能不大理想,并且有許多誤報(bào)。
第四代顯示器除了語(yǔ)音提示和動(dòng)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(jìn)的超聲波技術(shù),利用高速計(jì)算機(jī)來(lái)控制檢測(cè)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_(dá)是自行購(gòu)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(shí),它是普通的后視鏡,在顯示時(shí)變成屏幕。)
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(diǎn)是集成了逆向軌跡的綜合顯示。它主要是通過(guò)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(jī)。微處理器在接收到圖像信號(hào)、轉(zhuǎn)向角信號(hào)、車身轉(zhuǎn)角信號(hào)和速度信號(hào)之后,計(jì)算出一系列復(fù)雜的反向軌跡和距離。最后,通過(guò)在屏幕上顯示車輛的后部區(qū)域和合成的引導(dǎo)線來(lái)指導(dǎo)駕駛員進(jìn)行倒車,在車輛緩慢后退時(shí),引導(dǎo)線會(huì)隨之進(jìn)行修改。
根據(jù)以上介紹,超聲波檢測(cè)系統(tǒng)并不完善,所以未來(lái)它一定會(huì)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(lái)看,機(jī)器視覺倒車輔助系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展方向。所謂機(jī)器視覺,就是用機(jī)器代替人眼去搜集信號(hào),用計(jì)算機(jī)代替人腦進(jìn)行判斷。典型的機(jī)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(cè)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(hào)需要進(jìn)行存儲(chǔ),所以要用到圖像采集卡。
圖像處理單元:在獲得圖像信號(hào)后,傳入圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)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(guò)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(hào),執(zhí)行相關(guān)操作。機(jī)器視覺有許多成功的例子,例如,車牌識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)和活塞裝配視覺識(shí)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(jī)器視覺技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,利用雙向檢測(cè)將大大提高倒車時(shí)的安全性和便利性。目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在應(yīng)用了以超聲波和機(jī)器視覺為檢測(cè)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(shí),首先使用超聲波檢測(cè)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(shí)別路邊的停車線,并通過(guò)程序算法匹配最合適的倒車路線。當(dāng)汽車自動(dòng)把位置和距離檢測(cè)好后,駕駛員再按下確認(rèn)鍵,倒車輔助系統(tǒng)便會(huì)代替人工操作,進(jìn)行自動(dòng)泊車。
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(jī)器視覺是最好的倒車輔助系統(tǒng),但我們相信機(jī)器視覺并不是倒車輔助系統(tǒng)的終點(diǎn)。在未來(lái)會(huì)有更好更強(qiáng)的倒車輔助系統(tǒng),而開發(fā)它們的重?fù)?dān),就落在了科技工作者身上。