基于超声波传感器阵列的轿车开门预警系统

北京信息科技大学理学院传感技术研究中心，北京市传感器重点实验室，教育部现代测控技术重点实验室，北京 100101

关键字：智能交通；开门防撞预警；超声波测距；传感器阵列；数据处理算法

一、前言

随着中国近几年经济的发展，拥有小轿车的人口数量急剧上升，车辆交通安全的隐患系数随之上升，其中小轿车驻停时乘员开门发生碰撞的事故也越来越频繁。尤其是在一些三线及以下的城市和乡镇农村地区，车上乘员缺乏安全意识，下车时很少观察后方来车的情况，同时车辆自身在左后方就存在盲区，因此车辆左侧乘员开门下车时很容易与后方来车发生碰撞事故。在已有的资料中，全国各个地方都会发生此类事故，例如：2015年1月29日一天北京市海淀区法院就受理了4起汽车停车开门引发的交通事故；2015年10月1 ～10日期间南京共发生了98起此类事故[1-2]。从这些数据可以看出，在交通安全意识还未普及的今天，除了加强交通安全知识宣传外，一套可以有效预防此类事故发生的系统也迫在眉睫。

目前，国内多个研究机构和课题组已经开始设计相关的车辆开门防撞预警系统，其中研究较多的技术主要为三种：

第一种，基于摄像头成像技术，对车辆后方固定区域内的物体进行探测，根据对比单位时间间隔内拍摄的两幅照片，计算出图片中车辆的速度，之后进行判断报警[3-4]，采用这种方式探测的范围有限，精度差，成本高，易受环境影响；

第二种，由单个超声波传感器或激光传感器及其结合组成的系统，利用传感器单位时间内接收到的信号转化为车辆相关参数，进而进行判断报警[5]。这种方式精度较高、成本低，但由于超声波传感器和激光传感器都是单方向直线式探测，无法有效覆盖所需监测的区域，无法在实际中运用；

第三种，运用多普勒雷达技术，对车辆后方固定区域内的物体进行探测[6-7]，该技术设计可靠性强、精确度高、鲁棒性好，也是到目前为止最成熟的技术，但该技术成本相对较高，对车辆自身结构改装大，移植性弱。

借鉴以上研究的优点，同时针对其不足，本研究根据有关法规建立了数学模型，确定需要监测的区域，利用多个不同型号的超声波测距传感器[8-9]组成超声波测距传感器阵列，实现对该区域的准确监测，并设计相关的数据处理算法，将传感器阵列收集的信号转化为所需要的车辆移动的瞬时速度，与阈值判断后进行报警。该系统成本低、精度高、鲁棒性强、探测范围可根据实际情况改变、可移植性强。虽然超声波测距传感器测量的信号会受后方来车不同的形貌影响，但是其性价比高，有着很广的市场前景和发展空间。

二、理论原理

1、数学模型建立

经过前期大量的调研，统计出小轿车开门引发的相撞事故中，车门与后方轿车或汽车相撞的事故发生几率很小，71.6%涉及电动车和轻便摩托车，26.3%涉及普通摩托车，2.1%涉及其他交通工具[10]。这是因为后方驶来轿车中，司机都会与前面停在路边的车辆保持一定宽度的间隔，在水平距离上不会与其贴的很近，因而降低了与车门相撞的概率；而电动车及摩托车因为一般在马路边缘行驶，当前面有汽车驻停时，很容易贴着汽车行驶，与车门相撞的概率较高。因此在以下建立的模型中，不再考虑轿车的行驶情况，而只考虑自行车、电动车以及摩托车。

根据《中华人民共和国道路交通安全法》[11]中自行车、电动车以及摩托车的城市道路行使安全速度以及调研报告[10]的结果，本模型确定建模所需的计算数据。其中自行车行驶速度为15km/h，轻便摩托车及电动车行驶速度为30km/h，普通摩托车行驶速度为50km/h，三者速度最大值为50km/h。因为在城市交通中，普通摩托车行驶速度也不会超过30km/h，故取30km/h（8.33m/s）作为模型的临界速度。

乘员下车开门时的横向车门宽度一般不超过1.5m，故取横向测量宽度为1.5m[8]；普通人的反应时间为0.5s，正常情况下普通摩托车的制动距离为5m，自行车、轻便摩托车、电动车的制动距离一般小于摩托车，所以制动距离取最大值5m。

根据人的反应时间以及后方来车的最大制动距离，可计算得到车辆后方所需测量的最大长度为：

式中，t—普通人的反应时间；

v—模型的临界速度；

S—后方来车的最大制动距离。

将相关参数代入式（1）可得L=9.2m，故该模型需测量的范围为车左后方宽1.5m，长9.2m，此处将长度作10m处理建立后续模型，测量范围如图1所示。

正常人的步行速度不超过1.2m/s，跑步的速度为2.7m/s，因为当后方走来的是行人时或者当后方存在静止的物体时，小轿车开门不会出现危险，故将判断危险的临界值设定为1.5m/s，即当后方移动物体速度大于1.5m/s时，系统判断其会造成危险，故而进行报警。

2、超声波测距传感器阵列模型的建立

为了覆盖小轿车左后方1.5m×10m的范围，单个超声波测距传感器无法实现该功能，因此需要用多个不同型号的超声波测距传感器呈一定角度摆放测量不同的区域来实现覆盖。同时又因为超声波测距传感器本身存在散射角度，且不同型号的超声波测距传感器性能不同，所以超声波测距传感器阵列的建立并非唯一。本模型的超声波传感器阵列的建立是基于三个量程的超声波测距传感器，其测量范围分别是2.5m、10m、10m，散射角度都为1.5°。

图2所示为三个传感器摆放角度计算原理。其中，测量区域长度L=10m，宽度W=1.5m。

1号超声波测距传感器，量程a=10m，方向与车身纵向一致，用于监测中远端上半区域。1号传感器存在散射角β1=1.5°，因此在实际安装时向监测区域内偏转β1，即其水平偏转角度α1=1.5°，其水平测量长度L1=10cos1.5°≈10.0m。

2号超声波测距传感器，量程b=10m，用于监测中、远端下部区域。为保证2号传感器所监测的范围最大，且确保物体在后方区域内被监测，将2号传感器沿区域对角线摆放。则2号超声传感器的摆放角度及水平测量长度为：

式中，α2—2号超声传感器的水平偏转角度；

W—系统测量范围的宽度；

L—系统测量范围的长度；

L2—2号超声传感器的水平测量长度；

b—2号超声传感器的测量距离。

则2号传感器与1号传感器安装的相邻间隔角度为：

式中，α1—1号超声传感器的水平偏转角度。

由于1号、2号传感器量程相对较大，更适合于监测远端和中端的范围，同时如图2的示意图中所展示，监测区域下方的半三角区域存在盲区，因此还需增加一个近程的3号超声波测距传感器来对下方半三角近端区域进行监测。

3号传感器取量程c=2.5m。为使3号超声波测距传感器所能监测到的下三角近端区域在保证最大的情况下尽量靠近车门端，需要根据3号超声波测距传感器的测量距离及监测区域的横向宽度来进行计算，则3号传感器摆放角度及水平测量长度为：

式中，α3—3号超声传感器的水平偏转角度；

c—3号超声传感器测量距离；

L3—3号超声传感器的水平测量长度。

3号传感器与2号传感器的相邻间隔角度为：

综上，3个超声波测距传感器通过不同的间隔角度进行安装，1号传感器主要监测后方区域的上三角顶端0～10m的范围，2号传感器主要监测后方区域沿对角线辐射的0～9.89m的范围，3号传感器主要监测后方区域下三角近端0～2m内的范围。假设后方来车宽度为0.5m，则三个传感器能够监测的区域大致如图2中阴影示意。

在整个探测区内，仍会存在两个盲区，即图2中所示的P1和P2的区域，即在系统启动时，在这两个区域内如果存在车辆，或者有车辆横向进入这个区域，传感器阵列无法第一时间探测到。对于P1盲区，系统目前无法很好解决，只能尽量减少面积。对于P2盲区，只要车辆向前运行通过3号传感器，就可以被探测得到，但是可能存在探测时间不足的情况。以上两个原因都有可能是导致后面的测试误差。

根据建立的模型，建立系统立体结构图如图3所示。整个模型的尺寸为10cm×15cm×10cm，安装在轿车的左后端。单片机以及各线路安装在模型的内部，三个传感器分别安装在模型表面3个固定端上，固定端的尺寸为4cm×2cm×1cm，圆口直径为1.6cm。内嵌的三个传感器采用双式测距传感器，尺寸规格都为3.5cm×1.8cm×1cm，传感器圆口直径为1.5cm，通过左侧圆形发射端发射超声波，由右侧圆形接收端接收超声波。由于存在后期优化的可能性，模型的尺寸大小可进一步减少，并根据车辆的不同特点进行调节。

为分析方便，以1号传感器的中心点建立空间坐标轴，其中，(-X) 向为超声波发射方向，(-X)O(-Y)面为超声监测区域。由于三个传感器在Z轴上的高度对(-X)O(-Y)面的监测不影响，因此可不考虑高度影响。为了使三个传感器之间形成一定的角度，且更容易进行加工处理，故将2号传感器与Z轴间隔y2的距离，将3号传感器与Z轴间隔y3的距离，有y2=4cm，y3=4+4=8cm，见图3（b）。距离增加后对传感器测量长度无影响，对实际的测量宽度有微小影响，2号传感器为2.6%，3号传感器为5.3%，见图3（c）。

三、系统建立

1、系统的整体架构

小轿车开门防撞预警系统包括压力传感器模块、STM32单片机[12-14]、超声波测距传感器阵列、报警模块和车锁模块。压力传感器模块包括压力传感器和放大电路；报警模块包括指示灯、语音模块和喇叭。系统结构图如图4所示。

2、系统的工作流程

压力传感器模块安装于小轿车左侧车门把手上，当有乘客下车按压车门把手时，压力传感器接收到信号，在放大电路处理后传给单片机，单片机启动超声波测距传感器阵列。

超声波测距传感器阵列安装于小轿车车身左后端车灯下侧，它能监测小轿车左后端1.5m×10m范围内物体与车相隔的距离，并将测得的数据传回给单片机。

单片机安装于小轿车内部，当超声波测距传感器阵列传回后方物体与车相隔的距离参数时，单片机利用数据处理算法将多个数据中的无效数据去除，保留有效数据，并将有效的距离数据转化为物体移动的实时速度，进而控制车锁模块和报警模块。

车锁模块与小轿车车锁装置关联，安装于小轿车左侧车门内部。当单片机判断出后方移动物体速度大于1.5m/s时，控制车锁模块进行响应，车锁模块立刻锁上车门，防止乘客开门下车。

报警模块中的指示灯、语音模块及喇叭安装于小轿车左车门内侧上方，当单片机判断出后方有移动物体速度大于1.5m/s时，控制指示灯变为红灯，同时控制语音模块进行报警。

小轿车开门防撞预警系统的具体工作流程如图5所示。

3、数据处理算法

由于超声波测距传感器阵列在单位时间内会接收到大量的数据，其中存在部分无效数据，因此单片机必须利用数据处理算法将多个数据中的无效数据去除，保留有效数据。超声波传感器阵列测得的数据经运算求取水平值后分别存储在三个数组SA[5]、SB[5]、SC[5]的通道中。模型中1号传感器在水平方向上的测量距离为10m，2号传感器为9.89m，三号传感器为2.00m，故SA[5]通道中数值的区域范围为：0～10m，SB[5]通道中数值的区域范围为：0～9.89m，SC[5]通道中数值的区域范围为：0～2.00m。数据在此范围内的即为有效数据，否则为无效数据可以剔除。

当系统接收到5个数据及以上填充满一个通道时，系统利用通道数组中的数据来计算后方物体移动的实时速度。以通道数组SA[5]为例，因为超声波接收数据时间间隔为0.1s，当系统满足触发条件后，则有：

该数组在0.5s内可得到4个速度值，再将这4个速度值进行平均计算，即可得到物体近似的实时速度：

其他两个通道的数值计算亦同理。三个通道在速度计算后，只要其中有一个达到危险条件，系统就会报警，车门上锁，防止乘员下车。

四、系统测试

该系统在白天和黑夜分别对行人、自行车、电动车和摩托车分别进行测试，其测试的范围分为两个部分，一部分测试小轿车左后方1.5m×10m的固定区域；考虑到后方车辆突然变道，第二部分测试移动的物体从区域外突然驶入的情况。由于超声波在空气中的传输不受光照、温度的影响，故白天和黑夜测试得到的结果基本一致。

1、延迟时间

系统延迟时间分为主动延迟时间和被动延迟时间。主动延迟时间是为了有效利用超声波传感器阵列的性能来获得数据，利用单片机程序延迟函数void delayms(unsigned int ms)来设置主动延迟时间；被动延迟时间是指单片机运行程序的算法处理时间。

单片机指令延时为ms级延时，此系统的控制程序void delayms(unsigned int ms) 中设初始单位延迟时间为10ms，基于此单片机控制超声波传感器阵列的主动延迟时间为100ms，满足触发判断条件的主动延迟时间为：100÷0.625×5=800ms。

单片机的晶振频率为11.0592MHz，其执行一条指令机器指令的时间约为2μs，执行一条乘除指令的时间为4μs，以此计算单片机算法处理时间（被动延迟时间）为1.668ms。

故系统总延迟时间为：

2、第一部分测试

在固定区域内，分别对行人、自行车、电动车和摩托车进行了300次测试，测试结果如表1所示。

表1 固定区域内的测试结果

根据表1数据我们可以看到，当测量区域范围内存在物体或行人时，由于它们的速度小于1.5m/s，未达到系统规定的阈值，所以系统不会进行报警；当测量区域范围内存在行驶的自行车、电动车和摩托车时，由于它们的速度大于1.5m/s，已经超过系统规定的阈值，所以系统报警。

从系统报警的准确度上分析，对于移动速度小于1.5m/s的物体，系统的判断准确度可以达到100%，这是因为处于此种情况下，超声波测距传感器阵列所接收到信号的距离变化不会存在太大差异，就算出现失真的信号也已经被程序处理算法剔除，不会出现误报的情况；而对于自行车、电动车和摩托车这些测试对象，由于超声波测距传感器阵列是通过超声波来监测物体，当物体表面存在凹凸不平的情况或物体本身可以吸收超声波时，这些情况会造成数据丢失，结果就导致了反射回去的超声波信号出现偏差，故系统报警的准确度也就下降。由于摩托车的体积（平面横截面积）大于电动车，电动车的体积（平面横截面积）大于自行车，所以摩托车反射的超声波信号要大于电动车，电动车反射的超声波信号大于自行车，所以这三者之间，摩托车的测量准确度最高，自行车的测量准确度最低。

3、第二部分测试

测试移动物体从区域外突然进入，分别对行人、自行车、电动车和摩托车进行了300次测试，测试结果如表2所示。

表2 突然进入区域内的测试结果

在这种极端情况下，系统报警的准确度明显下降，这是因为物体从区域范围外前半段横向闯入进入时，不能保证在剩下行驶的距离内让超声波测距传感器阵列接收到足够多的信号，因此会产生无法判断其危险性的情况。

但是当物体是从区域范围的后半段进入时，仍有足够长的距离可以让超声波测距传感器阵列接收信号并做出反应。由于物体移动的速度不一样，故不同交通工具进入区域后报警失效的剩余距离长度也不同。大量测试后得到在有效报警的前提下，自行车、电动车和摩托车离小轿车的进入距离分别是3.5m，6.7m，6.7m，将系统的延迟时间与测试对象的测试速度相乘，可得到测试对象进入距离的报警最短距离理论值L=T×V，其理论值分别为3.34m，6.67m，6.67m，测试结果和理论结果基本一致。

五、结论

本系统的研究属于交通智能领域，在现今物联网蓬勃发展的状态下，交通安全也被越来越多的人关注，并设法通过物联网的相关技术来提高交通安全的系数。本系统利用超声波测距传感器阵列的性能特点和单片机程序处理算法较好实现了小轿车乘员下车提前预警的功能，同时系统的成本低，性价比高，适合商业化推广。系统目前的设计是基于普通的小轿车，具有普适性，但是由于车锁模块涉及车辆本身的改装，故在测试中只是利用继电器进行模拟，在实际的使用中并不影响系统性能。

在后期的研发改进工作中，我们需要增强超声波测距传感器的性能，同时优化数学模型，并改进数据处理算法，将系统报警的准确率提高到98%以上，最后在多种复杂环境下进行性能测量，直到符合商品化标准。