传感器在车辆自动倒泊方面的应用

童启明，张丽霞，潘福全，路军

（青岛理工大学 汽车与交通学院，山东 青岛 266520）

传感器在车辆自动倒泊方面的应用

童启明，张丽霞，潘福全，路军

（青岛理工大学 汽车与交通学院，山东 青岛 266520）

本文介绍了如何利用传感器来实现车辆的自动倒泊，并结合车辆的自身条件，提出了传感器的设计方法、舵机的原理以及系统控制算法，实现了车辆的自动倒泊。系统采用F330单片机和C8051F330单片机为核心，并使用超声波传感器采集道路信息，通过舵机来实现车辆的行驶与制动，使车辆自动倒泊智能，安全。

传感器；智能车；车联网

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

随着我国经济的快速发展，私家车越来越普及，驾驶者如何让车辆自动入库停车，这一问题越来越引起众人的关注。车辆的自动倒泊技术，解决了复杂的脑力问题，且保证驾驶员的安全。因此，设计一种能够自动倒泊的系统有着一定的实用价值。

1、总体布局

系统板块主要由超声波传感器、单片机，液晶显示屏，舵机、直流电机等组成。

车身是运动的，在采集数据上有一定难度，可采用超声波传感器采集数据，计算出传感器与障碍物间距离。

采用双CPU协调控制。单片机1通过超声波接收装置接受采集到的信息，对信息进行分析和处理，计算出车尾为到障碍物之间的距离，将结果显示在驾驶室屏幕上。同时，该数据再输入单片机2中的中央处理单元，并由驱动模块对舵机舵机控制模块（伺服电机）或电机控制模块（直流电机）发出相应的命令，实现自动倒泊。

2、设计理念

2.1 电源设计

由于采集节点上的超声波传感器和单片机都需要 5V电源，然而基准电压芯片等需要 3.3V 电源，外接电源为24V，所以必须经过电压转换，可采用 LM2576S-5V 和ASM1117-3.3V 的稳压芯片，转换电路图如下图所示。

得到3.3V和5V的电压后，分别连接上一滤波器，传给单片机、传感器等。

2.2 信息采集设计

信息采集系统常采用CCD摄像头、光电传感器、超声波等方法[1]，本文采用的是超声波传感系统。

单片机1 采用的是C8051F330单片机，该单片机有I/O口、引脚分别是17个、20个。

超声波传感器的中央处理器采用单片机1，测距方法为：单片机1每隔一段时间向超声波换能器发出一系列激励脉冲，其频率为40khz。超声波脉冲驱动电路控制超声波换能器，由发送探头发射超声波，同时开始计时，一旦收到的反射回来的超声波信号就立刻停止，并利用超声波往返时间，计算车辆与障碍物间的距离[2]。

超声波发送电路：单片机1和超声波换能器间增加功率放大电路，同时对激发信号进行升压，如图5所示。

超声波接收电路：对信号进行处理，根据实际需要放大信号的强度，在将放大后的信号经过滤波器进行滤波，最后采用电平比较法消去噪声。并将比较器的负输入端引入一门限压电，这样比较器输入的结果便可以正确显示是否接收到回波。如图6所示。

测距输出：单片机1的输出是电流模式，而测距结果是模拟电压的形式表示的。所以，需要对输出结构进行转换。如图7所示。

2.3 信息处理设计

处理节点主要由单片机1、单片机2、舵机、电源以及外壳等组成。

单片机1采用F330单片机。单片机1，采用其 PA 口控制 LCM12864 显示处理后的距离。

单片机2采用微处理器MC9S12DG128，并将其作为核心模块，其组成部分是PWM硬件控制模块、驱动模块等[3]。

超声波换能器发出超声波信号，超声波接收装置采集信号，并输入单片机1，计算出传感器到障碍物之间的距离，将结果显示在驾驶室屏幕上[]。单片机1处理得到的数据，同时输出给单片机2中的中央控制单元（控制模块），控制模块不断的对数据进行检查，一旦检查到不同的命令，驱动模块就从中央控制单元获得相应命令，驱动模块从而会发出两路PWM波，分别对车辆的直流电机（驱动）和转向舵机（转向）进行控制，完成车辆的转向、前进、制动的功能。

2.4 舵机的原理

2.4.1 舵臂分析

车辆的转向是舵机通过多级连接臂/轮对连杆来驱动轮胎来实现的，如图9所示。加快车辆的转向的灵敏度，一般采用的方法有：增加舵机的额定功率，合理布置舵机的安装位置以及延长多级连接臂的长度等方法。因为舵机的转动速度和功率有上限，故舵机连接臂的延长是提高车辆转向能的有效手段[4]。

2.4.2 舵臂长度计算

为了车辆的转向更为轻便、快捷、精确，转臂的延长是至关重要的，但为了保证车辆在所有工况下都能提供足够的转向力以便更好的控制转向，所以需要满足一个力学条件∶舵机输出力＞ 前轮压力产生的摩擦力。

假定前轮承重为Fmg，加速过程中产生的动载力为Fma，轮胎和地面的摩擦力因数为μ，舵机输出扭矩为T,则前轮产生的总摩擦力为

舵机满足条件的臂长为L=T/F

2.5 倒车时方向控制原理

传感器2在汽车尾部的中轴线上，传感器3和传感器1关于中轴线对称，分别分布左右边。

设定D为车辆尾部到障碍物之间的安全距离，d为车辆尾部到障碍物之间真实距离，d1为右侧传感器1到障碍物之间的真实距离，d2为左侧传感器2到障碍物之间的真实距离。传感器1与2,2与3的距离均为x。

2.5.1 距离d的计算

2.5.2 方向控制

利用d、d1、 d2和D之间的比较，作为相应的控制，具体控制方法如下：

当d ≤D时，车辆制动。

当d＞D时，d1= d2，车辆沿直线后退 。

d1＞d2，车辆向右转向。

d1＜d2，车辆向左转向。

3、系统控制算法设计

3.1 数据的接收阶段

超声波传感器是通过发出和收到信号的时间差，来计算车辆离障碍物的距离。其距离为：d=0.5(c×t)

d为车尾部与障碍物间的最小距离；c为声音在空气中的传播速度；t声波的往返时间差

3.2 数据的处理阶段

设定D为车尾部到障碍物之间的安全距离，d1为右侧传感器1到障碍物之间的距离，d2为左侧传感器2到障碍物之间的距离。

4、结语

本文提出了一种车辆自动倒泊的设计方案，采用超声波传感器作为数据的采集工具，结合单片机和舵机等完成自动倒泊。合理的设计了运行方案和算法设计，使车辆的自动倒泊成为了现实，实现了倒车入库的智能化、高效化，并有效的保证了驾驶者的安全。

[1] 王 玲,孙 波.红外光电传感器自动寻迹智能车的设计与实现.沈阳理工大学学报，2010,29(2)∶57-60.

[2] 董永贵.传感技术与系统[M]. 北京：清华大学出版社，2006.

[3] MC9S12DG128 Device User Guide.Freescale Semiconductor Inc, 2005.

[4] 一种基于光电传感器的路径识别智能车.科学技术与工程.2011, 1671-1815（2011）-0039-03.

Sensors in the vehicle parked automatic reverse application areas

Tong Qiming, Zhang Lixia, Pan Fuquan, LuJun
（Automotive and Transportation College of Qingdao University, Shandong Qingdao 266520）

This article describes how to use the sensors to automatically pour parked vehicles, combined with the vehicle's own conditions, proposed the design method of the sensor, as well as the principle of the servo system control algorithm to achieve the automatic reverse parked vehicles. The system uses F330 C8051F330 microcontroller and microcontroller core, using an ultrasonic sensor to collect the road information, through steering and braking to achieve with the vehicle, the vehicle parked automatic reverse smart and safe.

Sensor；Smart Car；Car networking

U463.6

A

1671-7988(2015)03--

启明，就读于青岛理工大学汽车与交通学院。

山东省高等学校科技计划项目资助(J12LB08)；山东省自然科学基金资助(ZR2012EEL09)。