高精度倒车防撞预警系统的设计探索

【摘 要】本文研究设计了一种高精度的倒车防撞预警系统，通过采用小波束角动态扫描的探测方式，极大地减少了探测盲区，并可在探测过程中检测到障碍物的大致方位，有效提高了探测精确度，能够对倒车防撞起到很好的辅助作用。

【关键词】高精度 倒车防撞 预警系统 超声波测距 小波束角

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）03C-0189-02

随着汽车的普及以及汽车价格的平民化，汽车已经成为很多家庭的标配，然而伴随着出行方便的同时，停车问题却变得严峻起来。汽车数量的增多使得停车空间越来越小，在狭小的空间停车常常令有车一族无所适从，即使是经验丰富的司机也难免会在倒车时因为视线盲区等各种原因发生刮蹭。因此，辅助倒车系统成了很多品牌车型必备配置，也是许多车主必选的一项加装设备。

一、倒车防撞预警系统工作原理

倒车防撞预警系统也称为泊车辅助装置，俗称倒车雷达，是汽车在倒车或者泊车时的安全辅助设备，可以通过声音、数字、图片、影像等方式告知驾驶员汽车四周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决倒车、泊车时障碍物可能引起的干扰，扫除视线模糊和视野死角的缺陷。

现有的倒车防撞预警系统多采用波型信号探测距离实现。发射一种波型或信号，当该波型或信号遇到障碍物时会反射回来，由此得知是否有障碍物及障碍物与车的距离。超声波是一种能量消耗缓慢、传播距离远的波，它可以在不同天气状况下使用，不易受外界条件如光线、烟雾、电磁等的影响，并且原理简单、易于实现，可靠性好，成本低廉，因而广泛应用于各种倒车雷达中。

系统发出超声波，超声波遇障碍物后反射回来，若超声波的传播速度为v，系统发出超声波和收到超声波的回波的时间间隔为t，则根据公式可计算出障碍物与汽车之间的距离。在空气中传播时，声波的傳播速度会受到湿度、温度、气压等因素的影响，其中温度对声波速度的影响最大，若要进行温度补偿，其关系为。一般情况下，倒车防撞预警系统不需要精确到毫米级别，故可不进行温度补偿。

二、现有倒车防撞预警系统的缺陷

目前国内做倒车雷达的厂家很多，但是性能都不是很理想，主要表现在盲区较大和精确度不高。

（一）探测盲区过大。倒车防撞预警系统工作时，是由超声波传感器发出超声波的，它发出超声波时能量并不是均匀分布，垂直于传感器表面中轴线位置的声射线能量最强，中轴线左右两侧等其他方向上的声波能量逐渐减弱。自发射源到照射目地的展开面积大小的参数我们用波束角来表示，它指能量密度达到峰值能量密度一半处的锥形宽度。在这个锥形宽度内的障碍物能够比较有效的探测到，而在这个锥形宽度之外波能量过于分散，无法产生有效的回波，也就无法较准确的探测出障碍物。一般的超声波传感器采用波束角。

为了解决这一问题，倒车雷达都采用了增加传感器数量的方式来实现。传感器数量的增多的确可以减少部分盲区，如图1分别为用2个传感器和用4个传感器的探测范围，白色部分代表盲区。现有倒车雷达多采用4个传感器来探测，但仍然有较大盲区，而一味地增加传感器数量容易造成传感器相互间的干扰，也会增加成本，故通过增加传感器数量的方法并不是解决盲区过大的最佳方法。

（二）探测指向性不强。通过上图可以看出，只要是在超声波探测范围内出现的障碍物都可以被检测到，但这个障碍物具体在哪个位置却检测不出。根据超声波测距原理可知，超声波遇到障碍物后反射回来，我们可以知道障碍物与汽车的距离，但这个测得的距离并不一定是传感器正前方的障碍物的距离，以这个距离为半径，以传感器为圆心的范围内均有可能出现障碍物，故这个距离没有明确的指向性。增大波束角可以减小盲区，但波束角越大指向性越不明确。

三、高精度倒车防撞预警系统的设计

为了解决现有倒车防撞预警系统的缺陷，本设计对现有倒车雷达系统做了一些改进。

（一）系统结构及工作原理。本设计包括以下模块：超声波发射模块；超声波接收模块；用于控制发出、接收及处理超声波数据信号的单片机；用于数码距离显示和障碍物方位显示的显示模块以及用于提醒驾驶员的报警模块，如图2所示。单片机的输出口分别与超声波发射模块、显示模块、报警模块连接，单片机的输入口与超声波接收模块连接。超声波发射模块包括超声波发射传感器和三级放大器，单片机的输出口与三级放大器连接，三级放大器与超声波发射传感器连接。单片机采用C8051F330，内部自带有温度传感器、内置AD、DA和比较器。超声波接收模块为PVDF超声波接收器。显示模块为LCD液晶显示屏。报警模块为语音报警器，当障碍物与汽车距离小于设定的安全距离时，发出报警。

其工作原理为：倒车过程中若遇到障碍物，单片机产生的脉冲经过三级放大器后传递给超声波发射传感器，超声波传感器利用压电特性，间断以频率40 KHz的电压激发压电片，该压电片将电能转换成机械能并发射出去。遇到障碍物后返回，PVDF超声波接收器将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，传送到单片机计算出汽车与障碍物的距离并通过显示LCD液晶显示屏显示出来，报警模块根据设定的距离提供不同的语音报警。

（二）采用小波束动态扫描。要解决探测盲区过大和探测指向性不强的问题，达到高精度判断障碍物位置，关键要改进的是超声波传感器的扫描方式。要减小盲区，需要使用大波束角进行扫描；而要指向性明确，却需要小波束角进行扫描，可见波束角的选择在减少盲区和指向性明确这两个目的上不能很好地统一。本系统在设计时为了使波束角的选择既能够兼顾指向性，又不增大盲区，选择小波束角结合动态扫描的方式进行障碍物的探测。

在设计中选择波束角为5°的小角度波束角，目的是为了使探测能有指向性。波束角减小以后传感器探测到的范围大大减小，当探测到障碍物时不但可以知道它与汽车的距离，还可以知道它的方位。若只是用小波束角进行扫描，必定会因扫描范围过小而产生很大的盲区，故本系统设计将小波束角扫描与动态扫描相结合来进行扫描，也就是让超声波传感器在不同的方向上动起来。实现方式是让超声波传感器用步距角为7.5°的步进电动机来驱动，每个周期共驱动20次，这样每个周期传感器的探测角度总共为150°，能够实现数量较多的小波柬角传感器密集阵列，可以极大减小盲区。

其工作情况如下：在每个扫描周期中，超声波传感器在初始位置处完成一个5°的扫描，步进电动机转动7.5°，然后传感器完成第二个5°的扫描，步进电动机再次转动7.5°，如次反复转动20次，超声波传感器一共会在21个不同的方向上进行探测，可以得到21个连续的探测信息，有效探测范围总共为150°。如图3所示。因为探测范围被细分成了21个方位，所以当发现障碍物得知其距离时，结合当前的扫描角度就能够得知障碍物较为精确的方位，提高了探测精度。步进电动机在每次转动时，传感器有两个方向上的探测，故传感器的探测角度为5°×2=10°，这个角度大于步进电动机的转动角度7.5°，所以每次的转动并不会产生未被扫描到的遗漏区域。

（三）系统响应时间。小波束角结合动态扫描的方式很好地解决了以往倒车防撞预警系统盲区大和指向性不明的缺陷，但因为这种扫描方式在每个周期中要扫描21次，总共花费的时间比以往要长一些。为了使系统的响应时间快，本设计同时采用了30°波束角单次扫描与5°小波束角动态扫描两种超声波传感器。汽车尾部的4个超声波传感器，有两个采用30°波束角单次扫描方式来探测，有两个采用5°小波束角动态扫描方式来探测。汽车后视镜可以辅助看到一些倒车情况，故汽车尾部两侧的超声波传感器采用30°波束角单次扫描，汽车尾部中间的超声波传感器采用5°小波束角动态扫描来减小盲區，两种扫描方式相互协调相互补充。除了硬件设计方面，软件编程上也对系统处理时间进行了优化。

总之，本设计采用了传统单次扫描与小波束角动态扫描相结合来完成障碍物探测，提出的小波束角动态扫描有效地减少了盲区，同时能够探测出障碍物的大致方位，极大地增强了探测精确度，能够对倒车防撞起到很好的辅助作用。

【参考文献】

[1]宋伟，潘仲明，孔雅琼，等.小波束角超声测距仪的研制[J].计算机测量与控制，2008（4）

[2]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器，2007（12）

[3]肖炎根.基于单片机超声波倒车雷达系统的设计[J].电子元器件应用2008（7）

【专利项目】中国专利号（ZL201520003721.8）

【作者简介】蓝芳芳（1985— ），女，柳州铁道职业技术学院专任教师，研究方向：电子信息、汽车电子。

（责编 卢 雯）