單新平，蔣云峰，劉宗健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 引言

近些年中國(guó)汽車行業(yè)飛速發(fā)展，從2010年乘用車銷量突破1000萬(wàn)輛，到2017年銷量高達(dá)2421萬(wàn)輛［1］。汽車銷量的大增，也帶動(dòng)了相關(guān)的駕駛輔助電子產(chǎn)品迅猛發(fā)展，如泊車輔助系統(tǒng)——超聲波倒車?yán)走_(dá)，從2013年約1200萬(wàn)套的倒車?yán)走_(dá)銷量，到2017年約為2100萬(wàn)套。超聲波倒車?yán)走_(dá)的誕生，為廣大的駕駛者在泊車時(shí)提供了聲音或圖像的提示，極大地提高了駕駛者泊車的安全性與時(shí)效性。目前，超聲波倒車?yán)走_(dá)已成為各種乘用車出廠的標(biāo)配，是很多駕駛者不可或缺的泊車伴侶。截止2017年底，中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量3.1億輛，其中以個(gè)人名義登記的小型和微型載客汽車（私家車）達(dá)1.7億輛。汽車駕駛?cè)顺?.42億，但駕齡不滿一年的人數(shù)為3054萬(wàn)［2］。因此，為了提高新駕駛者泊車的安全性，使用超聲波倒車?yán)走_(dá)進(jìn)行泊車輔助很有必要。

2 超聲波倒車?yán)走_(dá)的系統(tǒng)組成

超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)由1個(gè)主機(jī)、4個(gè)傳感器、1個(gè)內(nèi)置蜂鳴器組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接圖

超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的各個(gè)部件安裝位置如圖2所示。

3 主機(jī)

主機(jī)安裝在駕駛臺(tái)下方，這樣內(nèi)置蜂鳴器的聲音報(bào)警可以讓駕駛員清晰聽(tīng)到。在汽車的擋位信號(hào)為倒車擋時(shí)，系統(tǒng)被激活，主機(jī)向各個(gè)傳感器分別發(fā)送發(fā)射與接收超聲波的命令，然后根據(jù)發(fā)射與接收超聲波的時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物的距離。主機(jī)硬件框圖見(jiàn)圖3。

圖2 部件安裝位置圖

圖3 主機(jī)硬件框圖

主機(jī)的主要功能見(jiàn)表1。

表1 主機(jī)的主要功能

4 傳感器

4個(gè)傳感器安裝在后保險(xiǎn)杠上，向車身后發(fā)射與接收超聲波信號(hào)。傳感器在接收到主機(jī)的發(fā)射命令后，探頭的MCU給予傳感器探芯以電子激勵(lì)，探芯的壓電陶瓷片在被激勵(lì)后，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能傳播出去，遇到障礙物后，超聲波反彈回傳感器的壓電陶瓷片，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能傳輸給主機(jī)。主機(jī)通過(guò)比較各個(gè)探頭探測(cè)到的距離信息，將最小值即最近距離作為有效信息 （1.5 m以內(nèi)）。傳感器硬件框圖見(jiàn)圖4。

圖4 傳感器硬件框圖

4.1 匹配電路

在傳感器電路中，要使傳感器性能達(dá)到最佳，需要設(shè)計(jì)好探芯匹配電路和小信號(hào)放大電路，即運(yùn)算放大電路。圖5為探頭的匹配電路，方框圖transducer代表探芯的等效電路。

以Murata探芯為例進(jìn)行分析。選用Murata諧振頻率為55.5 kHz的探芯，Cp=1 500 pF，

電路中，變壓器選用3.18 mH的感量值，其計(jì)算式為：

根據(jù)已知的變壓器感量值即可計(jì)算出匹配電容Cadd的容值：

圖5 匹配電路

4.2 運(yùn)算放大器電路

由于傳感器收到的超聲波信號(hào)約為0.1 mVpp，MCU無(wú)法進(jìn)行采集和AD轉(zhuǎn)換，需要首先將微小的回波信號(hào)進(jìn)行放大。圖6是基于微分電路的運(yùn)放電路某一級(jí)的分析。

圖6 基本微分電路

基本微分電路僅是一原理性的微分電路，是不能付諸實(shí)用的。其原因?yàn)?，微分電路本質(zhì)上是一種高通濾波器，對(duì)于高出工作頻率以上的噪聲，有更大的增益，將無(wú)用的噪聲放大，故高頻噪聲干擾很嚴(yán)重。運(yùn)算放大器本身在高頻時(shí)有滯后的附加相移，R2和C1組成的反饋系統(tǒng)，在高頻時(shí)會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生滯后的相移，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定和產(chǎn)生自激振蕩。為解決這個(gè)問(wèn)題，在微分電容上串一個(gè)電阻R1。雖然R1能消除自激振蕩和抑制高頻噪聲的干擾，但是它會(huì)影響微分電路的運(yùn)算精度。R1的值越大，引進(jìn)運(yùn)算誤差越大。電路中進(jìn)一步增加了電容C2，這能使R1選取更小些，從而提高運(yùn)算精度，并且它有相位超前特性，在R1較小的情況下仍能消除自激振蕩。

5 蜂鳴器

蜂鳴器會(huì)根據(jù)不同的距離信息，以不同頻率鳴叫來(lái)提示障礙物與車身后保險(xiǎn)杠的距離。駕駛者通過(guò)不同頻率的聲音，來(lái)判斷障礙物距離。

雷達(dá)控制器內(nèi)置蜂鳴器，選用某品牌直徑為12 mm的有源電磁式蜂鳴器，工作電壓范圍是8~15 V，頻率是2 700±200 Hz，音量：≥70 dB@10 cm。

表2為我司某款車型超聲波倒車?yán)走_(dá)的報(bào)警方式。

表2 某款車型超聲波倒車?yán)走_(dá)的報(bào)警方式

6 結(jié)束語(yǔ)

文中基于超聲波技術(shù)，通過(guò)發(fā)射出的超聲與遇到障礙物反射回的回波信號(hào)間的時(shí)間差，從而計(jì)算出障礙物與車輛距離［3］。在中國(guó)汽車行業(yè)迅猛發(fā)展的今天，越來(lái)越多的駕駛者為初學(xué)者，對(duì)倒車?yán)走_(dá)的需求十分迫切。使用這一泊車輔助系統(tǒng)，能夠極大地提高泊車安全性與便捷性。