劉皖蘇，盧 彪

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的家庭將汽車作為出行工具.但是，由于視覺盲區(qū)的存在，汽車駕駛員在倒車過程中引發(fā)的交通安全事故越來越受到人們的重視.目前市場(chǎng)上，二維倒車系統(tǒng)主要采用聲音和圖像告知駕駛員車輛后方障礙物的情況，進(jìn)而提高倒車安全性.然而，二維倒車系統(tǒng)無法精確掌握汽車后方不確定性路況，容易引發(fā)交通事故［1].

本文針對(duì)傳統(tǒng)二維倒車影像系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計(jì)了基于微波射頻距離檢測(cè)技術(shù)的智能三維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)［2].該系統(tǒng)除了具備傳統(tǒng)倒車系統(tǒng)的影像和語音功能之外，還加入了汽車智能辨識(shí)后方路況凸起、凹陷、懸崖，以及駕駛員盲區(qū)內(nèi)的其他障礙物等復(fù)雜路況的檢測(cè)，并提供智能語音警示功能提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛.

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

微波射頻雷達(dá)倒車系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、微波射頻距離檢測(cè)模塊、微波射頻路面檢測(cè)模塊、穩(wěn)壓電源模塊、聲波傳送溫度補(bǔ)償模塊、智能語音警告模塊及液晶顯示電路等組成，微波射頻雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示［3].

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

微波射頻雷達(dá)系統(tǒng)工作原理為［4]：當(dāng)汽車啟動(dòng)倒車程序時(shí)，微波射頻距離檢測(cè)模塊從汽車底部向水平逆向方向發(fā)射微波射頻，微波射頻路面識(shí)別模塊從汽車底部方向發(fā)射微波射頻（安裝方位與地平面成45°角）.微波射頻在發(fā)射途中遇到阻礙物會(huì)產(chǎn)生反射波，反射波分別被距離判定模塊和路面檢測(cè)模塊接收.

反射波經(jīng)過信號(hào)放大、頻率過濾和電壓補(bǔ)償之后，STC89C52 通過反射波的到達(dá)時(shí)刻計(jì)算出反射波的回送時(shí)間，從而計(jì)算出汽車尾部與阻礙物質(zhì)之間的距離.避障距離通過液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示，并通過語音警示模塊實(shí)時(shí)發(fā)出語音提醒.由于微波傳輸速度與室外溫度系數(shù)相關(guān)，溫度補(bǔ)償模塊的溫度傳感器提高了系統(tǒng)精度.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 微波射頻水平距離測(cè)定模塊設(shè)計(jì)

微波射頻距離測(cè)定模塊采用南京中偉公司的收發(fā)一體MTK068，該模塊主要包括了微波發(fā)射節(jié)點(diǎn)、微波接收節(jié)點(diǎn)和射頻控制電路，信號(hào)發(fā)射頻率為60 Hz，發(fā)射角度為0°到60°，探測(cè)距離為±45°的弧狀檢測(cè)區(qū)域，檢測(cè)范圍為2 cm 到300 cm［5].微波射頻距離檢測(cè)模塊工作圖如圖2所示.

圖2 微波射頻水平測(cè)距模塊示意圖

微波射頻水平測(cè)距時(shí)，4 個(gè)微波射頻模塊以等比數(shù)差排列，微波射頻芯片的TRIG 和ECHO與STC89C52的I/O對(duì)接完成發(fā)射與接收的功能.當(dāng)STC89C52提供20 μs的低電平給ECHO接口，微波射頻測(cè)距模塊利用發(fā)射節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生16 個(gè)80 kHz的周期性電平來實(shí)現(xiàn)微波射頻的發(fā)射.接收探頭檢測(cè)到回波后，TRIG 引腳輸出一個(gè)與超聲波從發(fā)射到接收所用時(shí)間T 相同的高電平，高電平時(shí)間T 通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器O加以采集.

當(dāng)單片機(jī)采用12 MHz 的外部晶振時(shí)，每執(zhí)行一個(gè)機(jī)器周期則需要1 μs，計(jì)數(shù)加1需要一個(gè)機(jī)器周期，所以通過定時(shí)器計(jì)算得到的時(shí)間T（單位是s）為

其中，T 為微波射頻從發(fā)射到接收的往返時(shí)間，THo 與TLo 表示定時(shí)器O 的高字節(jié)（High）和低字節(jié)（Low）寄存器的字節(jié)值.測(cè)距模塊與障礙物間的距離L 為

其中，v 表示微波傳輸速度.

2.2 微波射頻地面監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

微波射頻發(fā)送的聲波是直線傳播，當(dāng)微波遇到不同的障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的反射和折射，當(dāng)聲波向斜度面發(fā)射時(shí)，反射回波可能回不到接收模塊［6].極限反射如圖3所示.

圖3 極限反射示意圖

在極限情況下，M 設(shè)為探頭測(cè)量障礙距離，地面斜面的傾斜角度為α，避障距離M 與斜面反射角α 的計(jì)算關(guān)系為

其中，O1和O2是汽車尾部雙探頭的固定位置，A1、A2 是發(fā)射微波斜面反射節(jié)點(diǎn).

當(dāng)傾斜角α 為45°、O1與O2之間的距離為40 mm 時(shí)，接收模塊只能在測(cè)量距離M 的值小于34.86 mm 的條件下接收到信號(hào)值，而實(shí)際測(cè)量距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此值.因此，在計(jì)算M 的值的情況下，散射回波的強(qiáng)度表示為

其中，Is為散射回波強(qiáng)度；Wo為微波探頭發(fā)射功率；v 為軸向集中系數(shù)，其與輻射面的形狀有關(guān)；M 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（4）得知，在微波射頻功率、轉(zhuǎn)向軸系數(shù)和發(fā)射角不變的情況下，散射強(qiáng)度與檢測(cè)路徑、傾斜角密切相關(guān)，在傾斜角β=30°與β=90°的情況下，散射回波對(duì)系統(tǒng)的精度無任何影響，只需將微波射頻模塊MTK068固定在汽車底部，并與地面成30°夾角.

2.3 溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

溫度補(bǔ)償模塊傳感器采用三星公司的TD1B26 芯片，該芯片具備體積小、精度高等特點(diǎn)，通過STC89C52芯片的I/O直接對(duì)接實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)互通，測(cè)試范圍為-60 ℃～180 ℃，測(cè)量精度可達(dá)±0.6 ℃［7].

微波射頻在傳播途中是以縱波模式傳送，其速度很容易受到空氣的溫度、濕度和氣體成分的干擾，其中溫度占比重最大.微波射頻的傳速與溫度的占比關(guān)系為

其中V 為微波射頻的速度，T 為攝氏溫度.

2.4 自動(dòng)語音報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語音提醒功能，設(shè)計(jì)了智能語音警報(bào)模塊［8].該模塊采用科大訊飛的MU886智能語音芯片，工作電壓為3～4.5 V，嵌入32位D/A語音輸出和自動(dòng)音頻濾波并直接驅(qū)動(dòng)6 Ω/0.8 W的蜂鳴器.該芯片通過按鍵控制、單線串口和多線串口互聯(lián)等工作模式，實(shí)現(xiàn)了高音量和高音質(zhì)的輸出.該芯片通過D/A接口直接對(duì)接STC89C52的I/O接口，通過命令行實(shí)現(xiàn)語音的各類功能.

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電汽車掛倒擋的時(shí)候，首先進(jìn)行初始化各個(gè)模塊：包括單片機(jī)系統(tǒng)、溫度傳感器、液晶屏和微波測(cè)距等，具體包括工作模式的初始化、數(shù)字顯示初始化等.然后，通過溫度傳感器采集空氣溫度，并利用溫度補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)聲速的系統(tǒng)補(bǔ)償和系統(tǒng)校正.當(dāng)微波射頻通過發(fā)射節(jié)點(diǎn)測(cè)量得到汽車底部與阻礙物之間的水平距離后，首先進(jìn)行安全距離的判定.如果安全距離符合系統(tǒng)設(shè)定，汽車倒車?yán)^續(xù)進(jìn)行.一旦系統(tǒng)的距離進(jìn)入警示距離系統(tǒng)立刻進(jìn)入智能語音警示狀態(tài)，隨時(shí)提醒駕駛員立刻停車.微波射頻雷達(dá)倒車系統(tǒng)軟件流程如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)微波射頻檢測(cè)到地面與汽車底部成傾斜角30°或者以上時(shí)，系統(tǒng)立刻判斷距離是否急變.若測(cè)距急變，微波射頻雷達(dá)倒車系統(tǒng)立刻執(zhí)行停止水平距離提示語音，并執(zhí)行播報(bào)地面距離提示語音告知駕駛員后方障礙物出現(xiàn)凹陷或凸起的復(fù)雜路況.如果水平測(cè)距未發(fā)生急變，則仍舊執(zhí)行倒車水平測(cè)距模式.

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證微波射頻雷達(dá)智能倒車系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了系統(tǒng)性能測(cè)試.測(cè)試內(nèi)容包括了水平距離測(cè)試和路況檢測(cè)測(cè)試.水平距離測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示，卷尺測(cè)量距離為實(shí)際值，測(cè)量值為L(zhǎng)CD液晶顯示值.

由表1 可知，微波射頻雷達(dá)倒車系統(tǒng)可在2～300 cm 實(shí)現(xiàn)水平距離準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)距，其中在距離300 cm處測(cè)試的最大誤差為1.21%，而2～6 cm區(qū)間的誤差率為0%，滿足了智能雷達(dá)倒車系統(tǒng)的需求.同時(shí)，經(jīng)過多次測(cè)試，微波射頻雷達(dá)倒車系統(tǒng)可及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)定義的8 cm以上的路面凸起及路面凹坑，并給出相應(yīng)提示語音警報(bào).該系統(tǒng)可根據(jù)汽車的類型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)值的微調(diào).

表1 微波射頻雷達(dá)倒車系統(tǒng)水平精確度測(cè)試

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于微波射頻技術(shù)的智能三維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體框架主要包括了穩(wěn)壓模塊、微波射頻水平測(cè)距模塊、地面測(cè)距模塊、溫度補(bǔ)償模塊和智能語音警報(bào)模塊.水平測(cè)距模塊和地面測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)了汽車尾部與障礙物的復(fù)雜情況識(shí)別，溫度補(bǔ)償模塊提高了系統(tǒng)識(shí)別精度，智能語音警告實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的警示.該系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，完全滿足三維雷達(dá)倒車系統(tǒng)的需求，具備一定的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值.