李亞蘭

摘要：隨著ADAS技術(shù)研究的深入，自動(dòng)跟車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為研究的重點(diǎn)，而跟車過(guò)程中，跟車距離的實(shí)時(shí)調(diào)整性成為技術(shù)的難點(diǎn)。本文采用超聲波測(cè)距和程序PWM調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)跟車行進(jìn)中的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量距離，L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以單片機(jī)為控制器，實(shí)現(xiàn)跟車的速度和距離的精確控制，同時(shí)用LCD1602顯示當(dāng)前的距離值。

關(guān)鍵詞：ADAS;自動(dòng)跟車;超聲波測(cè)距

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）22-0244-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，交通安全問(wèn)題日益嚴(yán)重，將智能控制技術(shù)引入車載系統(tǒng)成為降低交通事故的一種重要手段，因此，汽車先進(jìn)輔助駕駛系統(tǒng)[1]成為全球汽車電子研究的熱點(diǎn)，自動(dòng)跟車技術(shù)則為該輔助駕駛系統(tǒng)的主要部分，由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、霧霾以及被測(cè)對(duì)象顏色等因素的影響，在較惡劣的環(huán)境下具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此文中的自動(dòng)跟車設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器測(cè)距，再通過(guò)所測(cè)距離自動(dòng)調(diào)整與前車的距離和跟車的速度，形成一種閉環(huán)式的自動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到不撞車、不丟車的跟車狀態(tài)。

1系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由MCU、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)、HC-SR04超聲波傳感器、LCD1602顯示屏、電源電路組成。超聲波傳感檢測(cè)本車與前車的實(shí)時(shí)距離，本文采用兩個(gè)超聲波模塊，分別放在小車的左前方和右前方;MCU發(fā)出測(cè)距指令、接受距離數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為PWM值輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電路L298N，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制小車加速、減速、轉(zhuǎn)向，并保持與前車的適當(dāng)距離。LCD1602用于顯示小車的行進(jìn)狀態(tài)參數(shù)。

2 超聲波測(cè)距算法

本文采用時(shí)間差測(cè)距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。

假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，定時(shí)器記錄的時(shí)間為T，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離為S，則：

在設(shè)計(jì)中，采用兩個(gè)超聲波傳感器分別放在小車的左前方和右前方，若兩個(gè)超聲波檢測(cè)的距離一樣，即兩個(gè)超聲波的差值為0，就代表前面的小車是在直線行駛，若兩個(gè)超聲波的差值不為0，就代表前面的小車在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，根據(jù)兩個(gè)超聲波之間檢測(cè)距離較小的值為依據(jù)，可以判斷前方小車的轉(zhuǎn)彎方向。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)距單元電路設(shè)計(jì)

HC-SR04超聲波傳感器測(cè)距范圍為2cm-400cm，測(cè)距精度3mm。該傳感器共四個(gè)引腳，分別為，電源、地、TRIG、ECHO;給TRIG端10us的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送頻率為40KHZ的8個(gè)脈沖，傳感器自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，通過(guò)ECHO端產(chǎn)生輸出指示信號(hào)，如果有收到返回信號(hào)則可輸出一個(gè)高電平給單片機(jī)，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間。

上圖中，R1，C3，R2構(gòu)成單片機(jī)高電平復(fù)位電路，C1，C2，Y1構(gòu)成單片機(jī)時(shí)鐘電路，HC-SR04第一腳為超聲波傳感器的TRIG信號(hào)，第三腳為超聲波傳感器的ECHO信號(hào)，在小車行進(jìn)中，MCU通過(guò)P0.0輸出10微秒的高電平，HC-SR04發(fā)出8個(gè)脈沖，當(dāng)傳感器收到返回的超聲波時(shí)，P0.1為高電平，通過(guò)定時(shí)器得到高電平對(duì)應(yīng)的時(shí)間便可計(jì)算出所測(cè)距離值。

3.2驅(qū)動(dòng)電路子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

文中采用了兩個(gè)L298N芯片，分別控制小車兩邊的車輪電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。L298N為雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電流最大2A，提供最大功率20W，提供4路輸入信號(hào)，兩個(gè)使能端支持PWM調(diào)速，可以方便地控制直流電機(jī)速度和方向。

上圖中，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為直流12V，IN1-IN4接單片機(jī)I/O口，高低電平分別對(duì)應(yīng)OUT1-OUT4高低電平; OUT1，OUT2接電動(dòng)機(jī)B，OUT3，OUT4接電動(dòng)機(jī)A，OUT1和OUT2之間有電壓差即一個(gè)為高一個(gè)為低，電動(dòng)機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)，OUT3，OUT4同理;通過(guò)控制IN1、IN2的極性可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)B的正反轉(zhuǎn)、停止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)車輪的前進(jìn)、后退、停止動(dòng)作;控制IN3、IN4的極性可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)A相應(yīng)的狀態(tài)。

ENA和ENB分別連接來(lái)自MCU的PWM信號(hào)，當(dāng)PWM占空比高時(shí)，則L298輸出的平均電壓高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速則增高，反之則降低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序主要完成系統(tǒng)初始化、跟車開始以及跟車過(guò)程中各子流程的調(diào)用;整個(gè)程序包含六個(gè)子程序，分別為顯示子程序，超聲波測(cè)距子程序，距離計(jì)算及前車狀態(tài)判斷子程序，跟車距離在設(shè)定的范圍內(nèi)調(diào)整子程序，跟車距離在設(shè)定的范圍外調(diào)整子程序;如果與前車的距離在設(shè)定的范圍內(nèi)則只需要通過(guò)PWM調(diào)整與前車的跟車方向，如果在范圍外則需要通過(guò)時(shí)調(diào)整與小車的方向和速度，圖中給出了如果距離在跟車范圍內(nèi)的調(diào)整子程序流程。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于超聲波測(cè)距的小車跟車系統(tǒng)，在后車與前車方向角度小于30度時(shí)能實(shí)現(xiàn)15厘米到10米范圍的自動(dòng)跟車，但在彎道跟車時(shí)，如果保持3米/秒的速度，小車最多能實(shí)現(xiàn)45度彎度的自動(dòng)跟車，如果要提高跟車的準(zhǔn)確性，不丟車、不撞車，則可以對(duì)超聲波收發(fā)窗口進(jìn)行機(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)和處理，如增寬測(cè)量角度，或采用超聲波傳感器陣列[3]同時(shí)測(cè)量，優(yōu)化軟件前后車方向判斷算法等。文中所設(shè)計(jì)的模擬自動(dòng)跟車系統(tǒng)能較好地應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張志強(qiáng).ADAS的發(fā)展歷程及趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī)配件，2019.

[2] 徐江海.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3] 辛喆，鄒若冰，李升波，俞佳瑩，戴一凡，陳海亮.基于超聲波傳感器陣列的車輛周圍目標(biāo)物識(shí)別[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（12）.

【通聯(lián)編輯：光文玲】