使用超声波测距实现二维倒车雷达系统设计

引言

近年来，随着经济的迅速发展，汽车作为便捷的交通工具已进入越来越多的家庭，同时，由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。倒车时，车内、外的反光镜可以扩展驾驶员的视野，但是汽车后方的障碍物，以及由于高度不足，通过反光镜看不到的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角中。据相关调查统计，15%的汽车碰撞事故都是由倒车时汽车的后视能力缺乏造成的。

本文针对一维倒车雷达系统的主要缺陷，设计了一款基于超声波测距的二维倒车雷达系统。该系统可及时辨别汽车后方凸起、悬崖以及后方处于驾驶员盲区内的其他障碍物，同时所加入的智能语音报警功能，可及时提示驾驶员车后的具体情况。

1 系统总体设计

本系统主要由STC89C52单片机、超声波水平测距模块、超声波地面监测模块、稳压电源模块、温度补偿、智能语音报警模块及液晶显示电路等组成，系统总体设计原理框图如图1所示。

图1：系统总体设计原理框图

系统工作原理如下：汽车挂倒档，系统通电启动完成初始化。由于声速与温度有关，使用温度传感器测量现场温度，并送回单片机进行声速补偿。超声波水平测距模块从汽车尾部向水平方向发射超声波，超声波地面监测模块从汽车尾部方向发射超声波(安装角与水平面成60°)。超声波在空气中传播，遇到障碍物时会产生出回波，回波分别由超声波水平测距模块和超声波地面监测模块接收。回波经过前置放大、带通滤波、电压比较器后，由单片机检测回波到达的时刻，并计算超声波从发射到接收所使用的时间(即渡越时间)，由此计算出车尾与障碍物的距离。距离实时显示在液晶显示屏上，并通过智能语音报警模块发出提示语音。

2 主要硬件模块设计

2.1 超声波水平测距模块设计

采用超声波收发一体测距模块HC—SR04完成测距任务，此模块包括超声波发射探头、接收探头、控制电路，能够实现3～400cm距离测量。超声波发射探头发出的超声波频率为40 kHz，波束角为30°，探测范围为轴向±30°的弧状区域。

超声波水平测距时，3个超声波模块以等问距方式排列，每个超声波模块的TRIG和ECHO引脚分别与单片机I/O口相连。单片机依次给TRIG引脚一个大于10μs的高电平，这样超声波测距模块就可以给发射探头8个40 kHz的周期电平，此时发射探头发出超声波。接收探头检测到回波后，ECHO引脚输出一个与超声波从发射到接收所用时间T相同的高电平，高电平时间T通过单片机内部定时器0加以采集。当单片机采用12 MHz的外部晶振时，每执行一个机器周期则需要1μs，计数加1需要一个机器周期，所以通过定时器计算得到的时间T(单位s)为：

T=(TH0×256+TL0)×10-6 (1)

其中，T为超声波从发射到接收所用的时间，THO与TLO分别表示单片机定时器O的高字节和低字节寄存器值。探头与障碍物间的距离S为：

系统运行时，超声波水平测距电路中的3个超声波测距模块依次发出超声波，间隔至少大于60 ms，以保证超声波回波不会相互影响。超声波水平测距模块工作图，如图2所示。

图2：超声波水平测距模块示意图

2.2 超声波地面监测模块设计

超声波测距的关键是探头要接收到回波，探头发出的声波沿直线传播，遇到不同介质的界面会产生反射和散射现象。声波向斜面入射时，反射波会沿着反射角方向传播，可能并不指向探头。图3是反射波返回探头的极限情况。

图3：反射波返回探头的极限情况示意图

该情况下，H为可测距离，α为界面倾角，接收发射探头距离之间的关系为：

当界面倾角α为30°、O1O2为38 mm时，探头只能在H小于32.9 mm时才能接收到反射波，实际斜面测量距离远大于此距离，所以实际测量中反向散射波成为回波的主要成分。超声波测距时，对于具有一定倾斜角度的粗糙斜面，不计声传播衰减时的散射回波强度为：

其中，Is为散射回波;Wo为超声波探头发射功率;v为轴向集中系数，其与辐射面的形状有关，如为圆形辐射面，则v=π·d/λ;H为探头到斜面的垂直距离;△θ为波束角;β为入射波倾角。

由式(5)可知：在探头发射功率、轴向集中系数以及波束角固定不变的情况下，散射回波强度与测量距离、入射波倾角有关。当β=60°时，散射回波能量较β=90°时的情况减少不多，依旧能够进行回波检测。

将3个超声波模块HC—SR04固定在系统尾部，与地面成60°夹角，在实际的汽车倒车系统中，此模块可以安装在车尾的合适处。探头安装侧视图和正视图如图4所示。

图4：探头安装示意图

2.3 温度补偿模块设计

超声波在空气中以纵波方式传播，其传播速度受气体的密度、温度及气体分子成分的影响，其中温度对声速影响较大。考虑温度对声波速度影响时，声波在空气中的传输速率为：

V=331.5+0.606T (6)

其中，V为声速，T为摄氏温度。

采用美国DALLAS公司数字温度传感器DS18B20实现对环境温度测量，根据测得的温度对声速进行校正，以减小环境温度对声速的影响。DS18B20所构成的温度补偿电路具有体积小、电路简单、测量精度高等优点，只需连接到单片机的一个I/O端口就能实现与单片机之间的双向通信，测温范围为-55～125℃，在-10～85℃温度范围内的精度可达±0.5 ℃。

2.4 智能语音报警模块设计

采用NV020多功能语音芯片作为语音报警模块的核心元件。该芯片工作电压范围为2.7～3.6 V，内建16位D/A音频输出，自带内部滤波音频功放，可以直接驱动8 Ω/0.5 W的扬声器，具有高音质、低噪声的特点，可构成按键控制模式、一线串口连接以及三线串口连接3种工作方式。使用时，只需通过单片机寻址所存储的提示语音即可实现调用播放，发送不同命令码可实现音量调节、语音播放、暂停等功能。

3 系统软件设计

系统软件设计以Keil C51为集成开发环境，采用C语言模块化方式进行系统应用程序编写，软件流程如图5所示。

图5：系统软件设计流程图

汽车挂倒档时系统上电，首先完成单片机、超声波测距模块、数字温度传感器及LCD显示屏的初始化设置，如具体工作模式、显示方式等。然后，利用温度传感器对当前环境温度进行实时采集以实现声速校正。然后超声波水平测距模块检测与车后障碍物的水平距离，当检测到的水平距离小于系统所设定的安全距离时，立即启动水平距离提示语音，提醒驾驶人员立即停止继续倒车。

同时，超声波地面监测模块测量汽车尾部与地面成60°处的距离，并判断该距离是否发生突变。若检测到的地面距离发生突变，则判断语音报警模块是否正在播放水平距离提示报警语音，若符合判断，则立即停止水平提示报警语音的播放改为进行地面监测语音报警，否则直接进行地面监测语音报警。若没有发生突变，则不进行语音报警提示，而将所检测到的倒车时的水平与地面距离显示在LCD显示屏上，以便驾驶人员获取相关的实时数据，提高倒车的安全性。

4 实验测试

系统性能实验测试，包括水平测距与地面监测两大部分。系统水平测距的实验数据如表1所列。其中，实际值为卷尺所测量的超声波探头与墙壁之间的距离，测量值为所设计系统中的LCD显示值。由表1可知，系统可在3～400 cm实现水平距离准确测量测距，最大误差仅为1.10%，满足倒车需求。

表1：系统水平测距实验数据

同时，经过多次测试发现，系统均可及时监测出所设定的10 cm以上的凸起及凹坑，并给出相应提示语音警报，系统工作稳定可靠。

结语

通过斜面测距理论分析以及相关实验可知，地面监测模块方向与地面夹角为60°时，满足系统的精准性和实时性要求。

实际运行测试结果表明：结合所设计的温度补偿算法，系统可实现水平精确测距、地面凸起或凹坑的精准识别以及提示语音警报，且可在LCD屏上实时显示水平与地面监测距离。与传统的一维倒车雷达系统相比，提高了倒车安全性，且该系统设计思路同样适用于盲人导航、机器人定位等场合，具有较高的实际应用价值。

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