基于超声波倒车雷达的研究

单新平，蒋云峰，刘宗健

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

1 引言

近些年中国汽车行业飞速发展，从2010年乘用车销量突破1000万辆，到2017年销量高达2421万辆［1］。汽车销量的大增，也带动了相关的驾驶辅助电子产品迅猛发展，如泊车辅助系统——超声波倒车雷达，从2013年约1200万套的倒车雷达销量，到2017年约为2100万套。超声波倒车雷达的诞生，为广大的驾驶者在泊车时提供了声音或图像的提示，极大地提高了驾驶者泊车的安全性与时效性。目前，超声波倒车雷达已成为各种乘用车出厂的标配，是很多驾驶者不可或缺的泊车伴侣。截止2017年底，中国机动车保有量3.1亿辆，其中以个人名义登记的小型和微型载客汽车（私家车）达1.7亿辆。汽车驾驶人超3.42亿，但驾龄不满一年的人数为3054万［2］。因此，为了提高新驾驶者泊车的安全性，使用超声波倒车雷达进行泊车辅助很有必要。

2 超声波倒车雷达的系统组成

超声波倒车雷达系统由1个主机、4个传感器、1个内置蜂鸣器组成，如图1所示。

图1 系统连接图

超声波倒车雷达系统的各个部件安装位置如图2所示。

3 主机

主机安装在驾驶台下方，这样内置蜂鸣器的声音报警可以让驾驶员清晰听到。在汽车的挡位信号为倒车挡时，系统被激活，主机向各个传感器分别发送发射与接收超声波的命令，然后根据发射与接收超声波的时间差来计算障碍物的距离。主机硬件框图见图3。

图2 部件安装位置图

图3 主机硬件框图

主机的主要功能见表1。

表1 主机的主要功能

4 传感器

4个传感器安装在后保险杠上，向车身后发射与接收超声波信号。传感器在接收到主机的发射命令后，探头的MCU给予传感器探芯以电子激励，探芯的压电陶瓷片在被激励后，将电能转换成机械能传播出去，遇到障碍物后，超声波反弹回传感器的压电陶瓷片，将机械能转换成电能传输给主机。主机通过比较各个探头探测到的距离信息，将最小值即最近距离作为有效信息 （1.5 m以内）。传感器硬件框图见图4。

图4 传感器硬件框图

4.1 匹配电路

在传感器电路中，要使传感器性能达到最佳，需要设计好探芯匹配电路和小信号放大电路，即运算放大电路。图5为探头的匹配电路，方框图transducer代表探芯的等效电路。

以Murata探芯为例进行分析。选用Murata谐振频率为55.5 kHz的探芯，Cp=1 500 pF，

电路中，变压器选用3.18 mH的感量值，其计算式为：

根据已知的变压器感量值即可计算出匹配电容Cadd的容值：

图5 匹配电路

4.2 运算放大器电路

由于传感器收到的超声波信号约为0.1 mVpp，MCU无法进行采集和AD转换，需要首先将微小的回波信号进行放大。图6是基于微分电路的运放电路某一级的分析。

图6 基本微分电路

基本微分电路仅是一原理性的微分电路，是不能付诸实用的。其原因为，微分电路本质上是一种高通滤波器，对于高出工作频率以上的噪声，有更大的增益，将无用的噪声放大，故高频噪声干扰很严重。运算放大器本身在高频时有滞后的附加相移，R2和C1组成的反馈系统，在高频时会进一步产生滞后的相移，就会使整个系统不稳定和产生自激振荡。为解决这个问题，在微分电容上串一个电阻R1。虽然R1能消除自激振荡和抑制高频噪声的干扰，但是它会影响微分电路的运算精度。R1的值越大，引进运算误差越大。电路中进一步增加了电容C2，这能使R1选取更小些，从而提高运算精度，并且它有相位超前特性，在R1较小的情况下仍能消除自激振荡。

5 蜂鸣器

蜂鸣器会根据不同的距离信息，以不同频率鸣叫来提示障碍物与车身后保险杠的距离。驾驶者通过不同频率的声音，来判断障碍物距离。

雷达控制器内置蜂鸣器，选用某品牌直径为12 mm的有源电磁式蜂鸣器，工作电压范围是8~15 V，频率是2 700±200 Hz，音量：≥70 dB@10 cm。

表2为我司某款车型超声波倒车雷达的报警方式。

表2 某款车型超声波倒车雷达的报警方式

6 结束语

文中基于超声波技术，通过发射出的超声与遇到障碍物反射回的回波信号间的时间差，从而计算出障碍物与车辆距离［3］。在中国汽车行业迅猛发展的今天，越来越多的驾驶者为初学者，对倒车雷达的需求十分迫切。使用这一泊车辅助系统，能够极大地提高泊车安全性与便捷性。