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        電容式避障傳感器的數(shù)據(jù)處理

        2020-11-17 12:28:00李廣柱陳威兵張剛林
        長沙大學學報 2020年5期
        關(guān)鍵詞:箔條電容式障礙物

        李廣柱,陳威兵,李 瑋,張剛林,蘇 鋼

        (長沙學院電子信息與電氣工程學院,湖南 長沙 410022)

        隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,越來越多的家庭擁有了自己的汽車,汽車數(shù)量的增加,給人們帶來便利的同時,由倒車引發(fā)的事故也越來越多[1].為此,在汽車上安裝避障傳感器日益受到重視.目前,車輛避障傳感器多采用超聲波技術(shù)[2].但由于超聲波無法穿透車架,在安裝時需要破壞車架,降低了汽車的安全防護性能.電容式避障傳感器、不需要破壞車架,具有安裝方便、成本低廉的優(yōu)點.當前,電容式傳感器多用于MEMS器件或高精度儀表[3-4],車輛領(lǐng)域應用的電容式傳感器以近距離探測為主,如汽車門禁控制等[5-10].本文將電容式傳感器應用在車輛避障領(lǐng)域,研發(fā)得到成本低廉、性能可靠的電容式避障傳感器.

        電容式避障傳感器的電容大小取決于車身與障礙物的遠近,測量得到電容大小即可獲得障礙物的距離.通過把電容變化轉(zhuǎn)換成頻率變化的振蕩,測量振蕩的頻率實現(xiàn)電容的測量,針對電容-頻率轉(zhuǎn)換存在的缺點,本文提出了基于電容-電壓轉(zhuǎn)換的新型電容式避障傳感器[11];在研制電容式避障傳感器的過程中,提出了低成本的實現(xiàn)方案,同時設(shè)計了數(shù)據(jù)處理算法;基于電容-頻率轉(zhuǎn)換的電容式避障傳感器說明它的數(shù)據(jù)處理方法,這種數(shù)據(jù)處理方法也適用于電容-電壓轉(zhuǎn)換的電容式避障傳感器.

        1 電容式避障傳感器原理與實現(xiàn)

        1.1 電容式避障傳感器工作原理

        基于電容-頻率轉(zhuǎn)換原理的電容式避障傳感器如圖 1所示.圖中采用金屬箔條作為電容式避障傳感器的一個電極,將它貼在車輛后方,和障礙物構(gòu)成一個電容器.

        當車輛后方?jīng)]有障礙物時,金屬箔條本身可視作單極平板電容,其電容值記為Cx0;倒車時,金屬箔條與障礙物構(gòu)成電容器,此時金屬箔條形成的總的分布電容為:

        (1)

        式中,εr為大氣的介電常數(shù),S為金屬箔條與障礙物形成的分布電容的等效面積,d為金屬箔條與障礙物之間的距離.根據(jù)圖 1所示的電容式避障傳感器,利用金屬箔條形成的分布電容構(gòu)成振蕩電路,其振蕩頻率與電容相關(guān),將振蕩波形整形成方波,經(jīng)分頻后送至信號處理器.

        1.2 電容式避障傳感器的實現(xiàn)

        現(xiàn)結(jié)合圖1介紹電容式避障傳感器的實現(xiàn).圖1中振蕩電路采用NE555實現(xiàn),如圖2所示.

        可知振蕩電路的輸出信號頻率滿足:

        (2)

        金屬箔條的等效電容Cx約為0.4nF,輸出信號頻率19kHz左右.NE555輸出信號經(jīng)SN74HC4020分頻64倍后,轉(zhuǎn)換為約300Hz的方波,輸入到信號處理器.信號處理器采用GD32F130單片機,采用輸入捕獲法實現(xiàn)信號頻率的測量.

        2 電容式避障傳感器數(shù)據(jù)處理

        2.1 數(shù)據(jù)預處理

        在傳感器前沒有障礙物的情況下采集得到的一組頻率數(shù)據(jù),如圖3所示.其中橫坐標為采集數(shù)據(jù)對應的時間,為了研究頻率數(shù)據(jù)的特點,采集了約67秒,共計20 000個數(shù)據(jù).圖3的縱坐標是頻率,由圖可見信號的頻率約為298.93Hz,與式的計算結(jié)果吻合.

        圖3顯示,在傳感器前沒有障礙物的情況下,采集到的頻率數(shù)據(jù)具有一定的測量噪聲.若記GD32F130單片機的工作頻率為f0,輸入捕獲法測頻的計數(shù)值為N,則可知:

        (3)

        (4)

        式中,Δf0是f0的微分,表示單片機工作時鐘抖動帶來的測頻誤差,鑒于單片機采用外部晶振,時鐘抖動引起的測頻誤差可以忽略不計.ΔN是計數(shù)誤差,包含兩個部分:

        ΔN=e1+e2

        (5)

        式中,e1=±1,為單片機計數(shù)器引起的計數(shù)誤差;e2為圖2所示的振蕩電路引起的誤差.由于e1?e2,因此圖 3顯示的測量噪聲主要是由振蕩電路引起的.鑒于障礙物在靠近或遠離時避障傳感器僅能產(chǎn)生0.3Hz左右的頻率差,圖3中黑色曲線的波動范圍約0.15Hz,說明觀測噪聲較大,需要進行預處理才能應用.

        本文采用α-β濾波算法對數(shù)據(jù)進行預處理,其中:

        (6)

        式中,n為頻率數(shù)據(jù)序列的時間序號,T為數(shù)據(jù)的采樣間隔,對于電容式避障傳感器而言,數(shù)據(jù)的采樣間隔是不均勻的,這里采用的時間間隔為T=298.93-1,其中298.93Hz是頻率數(shù)據(jù)的平均值.由式(6)計算得到增益α和β,采用α-β濾波算法進行處理,算法流程如下[12]:

        (1)初始化頻率的預測值fe(1)和濾波值fi(1),以及頻率變化率的預測值δfe(1)和濾波值δfi(1):

        (7)

        (2)第n次觀測的預測處理.按式計算αn、βn后,根據(jù)第n-1次濾波值,計算得到第n次的預測:

        (8)

        (3)第n次觀測的濾波處理.利用式(8)計算得到的預測值,計算得到第n次濾波值:

        (9)

        表1 α-β濾波處理前后數(shù)據(jù)的均值和標準差

        表1還給出了20點平滑處理的效果,即將頻率數(shù)據(jù)序列的前后共計20個數(shù)據(jù)做平均,相當于對數(shù)據(jù)進行長度為20的矩形窗FIR濾波.由表1可見,兩種處理方法對均值的改變可以忽略,相比之下,采用α-β濾波算法處理后,數(shù)據(jù)的標準差更小.

        2.1 數(shù)據(jù)處理流程

        若記無障礙物的時候,NE555的輸出信號頻率為f0,由式(2)可知:

        (10)

        記存在障礙物時的輸出頻率為f,綜合式(1)和式(9)可知:

        (11)

        式中,k=εr·S·163.5K/1.44,在實際操作的時候,通過標定計算得到k的經(jīng)驗值.另外,式中當f很接近f0的時候,計算得到的距離誤差較大,在實際處理的時候,只有f

        綜上所述,電容式避障傳感器處理流程如圖4所示.首先將輸入捕獲值轉(zhuǎn)換為輸入方波信號的實際頻率;在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)預處理,并與閾值比較,如果小于閾值,則計算距離,根據(jù)距離輸出告警信號.

        針對本文研制的樣機,在各種溫度和環(huán)境下進行了大量實驗,同一臺樣機的檢測閾值基本不變,生產(chǎn)過程中可以針對每一臺傳感器標定檢測閾值.考慮到實際情況復雜多變,檢測閾值可能會發(fā)生改變.圖4中預留“更新閾值”的功能,以期自適應滿足各種環(huán)境下的應用需求.

        在計算得到距離后,電容式避障傳感器需將距離轉(zhuǎn)換為告警信號,告警信號分為三檔,滿足駕駛員提示需求.

        3 實驗與數(shù)據(jù)分析

        本文采用鋁箔,設(shè)計得到長1m、寬20mm的金屬箔條,貼在紙板上進行實驗,金屬箔條的照片如圖 5所示.

        將金屬箔條固定在支架上即可進行測試.把該實驗裝置放置在空曠的區(qū)域,人在支架前0.2m至3m處來回走動,通過本文設(shè)計的系統(tǒng),可以測量到被測試人的距離如圖6所示,圖中橫坐標為時間,單位為s;縱坐標為被測試人與傳感器之間的距離,單位為m.

        測試開始時,人處于3m處不動,3s時開始向傳感器接近,5s到達距離傳感器0.2m的位置,停下并返回,7s返回3m處停下.11s左右繼續(xù)從3m處開始向傳感器接近,13s到達0.2m的位置,并停留1s后離開傳感器,約第16s返回3m處.從圖 6可以看到,4~6s、12~15s有測量結(jié)果,其他時候由于測量得到的頻率沒有低于檢測閾值,所以圖6沒有給出測量結(jié)果.

        4 小結(jié)

        本文介紹了電容式避障傳感器的數(shù)據(jù)處理流程,提出采用α-β濾波進行數(shù)據(jù)預處理的方法,同時給出了避障傳感器的處理流程.進行了實驗,實驗數(shù)據(jù)表明了數(shù)據(jù)處理方案的可行性.

        在電容-頻率轉(zhuǎn)換式避障傳感器的基礎(chǔ)上,通過改進傳感器的信號變換方式,將電容-頻率轉(zhuǎn)換改變?yōu)殡娙?電壓轉(zhuǎn)換,改善了電容式避障傳感器的性能,目前也已研制得到原理樣機,這種新型電容式避障傳感器亦可采用本文提出的數(shù)據(jù)處理方案.

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