电容式避障传感器的数据处理

李广柱，陈威兵，李 玮，张刚林，苏 钢

(长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南 长沙 410022)

随着汽车工业的快速发展，越来越多的家庭拥有了自己的汽车，汽车数量的增加，给人们带来便利的同时，由倒车引发的事故也越来越多[1].为此，在汽车上安装避障传感器日益受到重视.目前，车辆避障传感器多采用超声波技术[2].但由于超声波无法穿透车架，在安装时需要破坏车架，降低了汽车的安全防护性能.电容式避障传感器、不需要破坏车架，具有安装方便、成本低廉的优点.当前，电容式传感器多用于MEMS器件或高精度仪表[3-4]，车辆领域应用的电容式传感器以近距离探测为主，如汽车门禁控制等[5-10].本文将电容式传感器应用在车辆避障领域，研发得到成本低廉、性能可靠的电容式避障传感器.

电容式避障传感器的电容大小取决于车身与障碍物的远近，测量得到电容大小即可获得障碍物的距离.通过把电容变化转换成频率变化的振荡，测量振荡的频率实现电容的测量，针对电容-频率转换存在的缺点，本文提出了基于电容-电压转换的新型电容式避障传感器[11]；在研制电容式避障传感器的过程中，提出了低成本的实现方案，同时设计了数据处理算法；基于电容-频率转换的电容式避障传感器说明它的数据处理方法，这种数据处理方法也适用于电容-电压转换的电容式避障传感器.

1 电容式避障传感器原理与实现

1.1 电容式避障传感器工作原理

基于电容-频率转换原理的电容式避障传感器如图 1所示.图中采用金属箔条作为电容式避障传感器的一个电极，将它贴在车辆后方，和障碍物构成一个电容器.

当车辆后方没有障碍物时，金属箔条本身可视作单极平板电容，其电容值记为Cx0；倒车时，金属箔条与障碍物构成电容器，此时金属箔条形成的总的分布电容为：

(1)

式中，εr为大气的介电常数，S为金属箔条与障碍物形成的分布电容的等效面积，d为金属箔条与障碍物之间的距离.根据图 1所示的电容式避障传感器，利用金属箔条形成的分布电容构成振荡电路，其振荡频率与电容相关，将振荡波形整形成方波，经分频后送至信号处理器.

1.2 电容式避障传感器的实现

现结合图1介绍电容式避障传感器的实现.图1中振荡电路采用NE555实现，如图2所示.

可知振荡电路的输出信号频率满足：

(2)

金属箔条的等效电容Cx约为0.4nF，输出信号频率19kHz左右.NE555输出信号经SN74HC4020分频64倍后，转换为约300Hz的方波，输入到信号处理器.信号处理器采用GD32F130单片机，采用输入捕获法实现信号频率的测量.

2 电容式避障传感器数据处理

2.1 数据预处理

在传感器前没有障碍物的情况下采集得到的一组频率数据，如图3所示.其中横坐标为采集数据对应的时间，为了研究频率数据的特点，采集了约67秒，共计20 000个数据.图3的纵坐标是频率，由图可见信号的频率约为298.93Hz，与式的计算结果吻合.

图3显示，在传感器前没有障碍物的情况下，采集到的频率数据具有一定的测量噪声.若记GD32F130单片机的工作频率为f0，输入捕获法测频的计数值为N，则可知：

(3)

(4)

式中,Δf0是f0的微分，表示单片机工作时钟抖动带来的测频误差，鉴于单片机采用外部晶振，时钟抖动引起的测频误差可以忽略不计.ΔN是计数误差，包含两个部分：

ΔN=e1+e2

(5)

式中,e1=±1，为单片机计数器引起的计数误差；e2为图2所示的振荡电路引起的误差.由于e1≪e2，因此图 3显示的测量噪声主要是由振荡电路引起的.鉴于障碍物在靠近或远离时避障传感器仅能产生0.3Hz左右的频率差，图3中黑色曲线的波动范围约0.15Hz，说明观测噪声较大，需要进行预处理才能应用.

本文采用α-β滤波算法对数据进行预处理，其中：

(6)

式中,n为频率数据序列的时间序号，T为数据的采样间隔，对于电容式避障传感器而言，数据的采样间隔是不均匀的，这里采用的时间间隔为T=298.93-1，其中298.93Hz是频率数据的平均值.由式(6)计算得到增益α和β，采用α-β滤波算法进行处理，算法流程如下[12]：

(1)初始化频率的预测值fe(1)和滤波值fi(1)，以及频率变化率的预测值δfe(1)和滤波值δfi(1)：

(7)

(2)第n次观测的预测处理.按式计算αn、βn后，根据第n-1次滤波值，计算得到第n次的预测：

(8)

(3)第n次观测的滤波处理.利用式(8)计算得到的预测值，计算得到第n次滤波值：

(9)

表1 α-β滤波处理前后数据的均值和标准差

表1还给出了20点平滑处理的效果，即将频率数据序列的前后共计20个数据做平均，相当于对数据进行长度为20的矩形窗FIR滤波.由表1可见，两种处理方法对均值的改变可以忽略，相比之下，采用α-β滤波算法处理后，数据的标准差更小.

2.1 数据处理流程

若记无障碍物的时候，NE555的输出信号频率为f0，由式(2)可知：

(10)

记存在障碍物时的输出频率为f，综合式(1)和式(9)可知：

(11)

式中，k=εr·S·163.5K/1.44，在实际操作的时候，通过标定计算得到k的经验值.另外，式中当f很接近f0的时候，计算得到的距离误差较大，在实际处理的时候，只有f

综上所述，电容式避障传感器处理流程如图4所示.首先将输入捕获值转换为输入方波信号的实际频率；在此基础上进行数据预处理，并与阈值比较，如果小于阈值，则计算距离，根据距离输出告警信号.

针对本文研制的样机，在各种温度和环境下进行了大量实验，同一台样机的检测阈值基本不变，生产过程中可以针对每一台传感器标定检测阈值.考虑到实际情况复杂多变，检测阈值可能会发生改变.图4中预留“更新阈值”的功能，以期自适应满足各种环境下的应用需求.

在计算得到距离后，电容式避障传感器需将距离转换为告警信号，告警信号分为三档，满足驾驶员提示需求.

3 实验与数据分析

本文采用铝箔，设计得到长1m、宽20mm的金属箔条，贴在纸板上进行实验，金属箔条的照片如图 5所示.

将金属箔条固定在支架上即可进行测试.把该实验装置放置在空旷的区域，人在支架前0.2m至3m处来回走动，通过本文设计的系统，可以测量到被测试人的距离如图6所示，图中横坐标为时间，单位为s；纵坐标为被测试人与传感器之间的距离，单位为m.

测试开始时，人处于3m处不动，3s时开始向传感器接近，5s到达距离传感器0.2m的位置，停下并返回，7s返回3m处停下.11s左右继续从3m处开始向传感器接近，13s到达0.2m的位置，并停留1s后离开传感器，约第16s返回3m处.从图 6可以看到，4～6s、12～15s有测量结果，其他时候由于测量得到的频率没有低于检测阈值，所以图6没有给出测量结果.

4 小结

本文介绍了电容式避障传感器的数据处理流程，提出采用α-β滤波进行数据预处理的方法，同时给出了避障传感器的处理流程.进行了实验，实验数据表明了数据处理方案的可行性.

在电容-频率转换式避障传感器的基础上，通过改进传感器的信号变换方式,将电容-频率转换改变为电容-电压转换，改善了电容式避障传感器的性能，目前也已研制得到原理样机，这种新型电容式避障传感器亦可采用本文提出的数据处理方案.