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超声波传感器在汽车避碰预警系统中的应用
1玉溪师范学院物理与电子工程学院，云南玉溪653100
2玉溪师范学院教务处，云南玉溪653100，中国，fmy@yxnu.net, ff@yxnu.net
*通讯作者
关键词:车辆避碰;超声波传感器;测距算法;温度传感器
摘要
为了提高汽车的安全性能，将超声测距仪应用于汽车自动制动系统的研制中。在低速行驶或倒车时，超声波传感器可以检测到车辆前方或后方是否有障碍物，优化测距算法，建立避碰模型。温度传感器可以实时测量环境温度，修正超声波测距结果，显示车辆与障碍物之间的距离，并对驾驶员发出警告，在紧急情况下，自动控制车辆启动应急制动装置。基于单片机的超声波避碰预警系统可以帮助驾驶员了解车辆周围的情况，对保证行车安全具有重要意义。
1. 介绍
汽车是人类重要的交通工具。据中国汽车工业协会发布的数据显示，中国汽车销量达到2802.82万辆，同比增长13.65%。梅塞德斯-奔驰公司对车辆碰撞原因的调查显示，如果司机能早一秒钟意识到危险并立即采取措施，大多数人都能避免交通事故。汽车避碰系统的研究始于20世纪60年代。经过几十年的发展，TerraMax智能车是由美国俄亥俄州立大学和奥什科什国防公司联合开发的。该车辆装有6个摄像头、4个激光雷达系统、2个毫米波雷达系统和12个超声波传感器，用于获取车辆周围环境的信息。INRIA智能汽车由法国国家信息与自动化研究院(INRIA)和ROBOSOFT共同开发，共包含7个模块，用于决策和控制、电机驱动、传感器接口、无线通信、电源、跟踪和数据传输。模块通过车辆上的CAN总线进行连接和通信。同济大学从2002年开始研制“春晖”四轮驱动电动汽车，其环境传感系统由GPS天线、道路摄像系统、前毫米波雷达、右毫米波雷达、前激光雷达等环境传感器组成。清华大学最新研发的THMR系列智能实验车，配备了摄像头、定位装置、激光测距仪等环境传感器。计算机控制方向盘，油门和其他执行机构，以迅速采取行动的制动或转向[3]。我们都知道，毫米波雷达非常昂贵，不适合广泛应用于普通的汽车、卡车和公共汽车。超声波测距传感器是以超声波为信息载体的测距装置。由于其具有耐候性强、成本低等优点，在车辆防撞预警系统中具有广阔的应用前景。
2. 超声波测距传感器的原理和结构
超声波测距的基本思想是利用收发一体化的传感器对信号进行发射，然后检测发射信号与回波信号之间的时间，从而获得障碍物与超声波传感器之间的距离。常用的方法有相位检测方法和飞行时间(ToF)检测方法。当回波信号被处理时，相位检测方法需要设置一个复杂的相位检测电路来确定其相位。相位检测方法虽然精度高，但成本相对较高，测量距离较近，适用于车辆避碰预警系统中的超声测距。ToF方法是由Pellam和Galt在1946年提出的。它的工作原理是定时，通过超声波的传播，直到传感器接收到返回信号，从而获得飞行时间和检测距离。该方法相对简单、成本低、检测范围大[4]。
超声波传感器测得的距离为H，两个探头中心距离的一半用M表示，并且超声波传播的距离用l表示。
由图中关系可知:,
然后： (1)
在整个传播过程中，超声波传播的距离为:,其中v为超声波传播速度，t为传播时间，即超声波从发射到接收的时间，
然后我们得到： (2)
这里，超声波v在一定温度下的传播速度为常数，当测量距离H远大于M时，,然后方程式(1-2)被转化为由于传播速度v与温度t有关，当对测量精度要求较高时，必须采用温度补偿方法进行校正。采用DS18B20温度传感器实时测量温度，计算超声波在空气中的传播速度:,式中:为0℃时的声波速度，=331.4m/s，t是当前环境的实际温度。因此，为了测量距离，只需要测量超声波的传播时间。
根据压电效应的基本原理，压电超声换能器由两个压电晶片和一个锥形振动器组成。目前市场上比较流行的是开式超声波传感器。如图1所示，主要组成部分为压电陶瓷片、锥形振动器、吸收块(阻尼块)、保护膜和屏蔽罩。压电陶瓷晶圆通常为圆形板型，是换能器的核心。
超声波传播频率f与厚度delta;成反比。锥形振动器将超声能量浓缩，使其在一定程度上定向。吸收块可降低晶圆陶瓷的机械质量，吸收声能，用于在激励脉冲信号停止后，促进能量的快速衰减。屏蔽外壳可有效防止外部压力对内部压电陶瓷晶片和锥形振动器的破坏，且不影响超声波的传输和接收。
超声波传感器测距精度的影响因素主要有:(1)温度、湿度、风速等环境因素，其中温度的影响较大;(2)声波在介质中传播时可能发生能量损失;(3)测距电路，即当回波信号的幅值受到滤波器带宽设置的影响后，超声波的传播时间受到影响，因为距离目标的距离检测本质上就是回波信号的检测;(4)目标因素，因为目标的方向和速度会影响传感器的测距精度。
1-外壳; 2-金属网; 3-锥形谐振盘; 4-压电晶片; 5-排针; 6-阻抗匹配垫; 7-超声波束
图1.压电超声换能器结构
3.整体系统解决方案的设计与实现
车辆避碰预警系统的目的是为了避免前后车辆或障碍物的碰撞，实现车辆的自动制动。整个系统方案的主要组成部分包括:中央处理器、超声波测距仪、控制开关、刹车控制模块。超声波测距仪安装在汽车前后两侧的缓冲器上，控制开关安装在控制台上。系统硬件电路包括单片机最小系统、超声波发射接收电路、液晶显示和声光报警电路。系统选用STC12C5A60S2单片机，具有工作电压低、处理速度快、抗干扰能力强等优点。它的指令系统与传统单片机的指令系统完全兼容。超声波测距模块作为传感器检测车辆外部环境，最小系统如图2所示。超声波发射模块和超声波接收模块的设计是为了优化电路参数，从而获得较高的测距精度和较大的测距范围，满足车辆在低速行驶或倒车时的避碰要求。在构建避碰算法时，主要是根据驾驶经验来选择相应的参数。在行驶的车辆中，应多次测试以得到最优的参数整定值[5]。
图2.STC12C5A60S2单片机最小系统
3.1超声发射电路
超声波通常由两种产生方法。第一种方法是通过选定的超声波通用产生电路产生超声波脉冲信号，然后激励超声换能器产生超声波。其优点在于驱动电路简单，但不灵活。第二种方法是利用软件产生频率可调的超声波信号，通过输出端口传送给驾驶员，驾驶员对超声波换能器进行激励，产生超声波。其优点是灵活性好，但需要驱动电流大于100mA的驱动电路。系统选择第二种方法产生超声波。电路原理图如图3所示。超声发射电路的重要组成部分包括压电陶瓷超声换能器、变压器和三极管，可以实现超声脉冲信号的放大。
单片机的I/O口输出电平为5V。标准的方波信号不能直接驱动超声换能器工作。该微控制器引脚通过软件编程，在规定的频率和规定的激励脉冲数每周期产生方波，用于控制三极管的开/关，并通过电源激励变压器的初级线圈。限流电阻R2可以防止过量的电流通过NPN三极管Q1。保护电阻R3用于调节发射功率。电容器C4和C5为滤波电容器，可为供电系统提供稳定的工作电压。电容器C6并联在变压器的两端。根据电容器的电容和变压器的电感，形成一个简单的振荡电路，使通过变压器的信号波形由于振荡作用而变成正弦波。两个反向二极管D1和D2串联连接的二次线圈变压器防止残余脉动信号二次线圈进入超声换能器和影响其测量,同时也防止反射的回波信号穿过线圈,形成一个循环与地面,反射回波信号能量不能进入超声波发射电路。电阻R5的设置增加了谐振槽的电阻，导致谐振槽的衰减系数增大，损耗增大。
图3.发射电路原理图 图4.接收预处理电路
3.2超声接收电路
微控制器软件产生脉冲信号，并通过三极管和变压器激励超声换能器。在不同的测量范围内，发射不同数量的脉冲序列，发射后立即启动计数器计数。当超声波遇到障碍物返回到超声波预处理电路、滤波放大电路和电压比较电路后，单片机外部中断。计数器停止计数，计数传播时隙，计算传播速度或待测距离。预处理电路可以实现对近距离目标接收到的反射回波信号进行放大后不饱和。电路设置增益不宜过大，电路如图4所示。电容器C7和C8对反射的回波信号进行滤波;二极管D3、D4以0.7V钳位发射超声信号，毫伏反射回波信号不受影响，直接进入后续电路;该电阻R7调节偏置电流并防止三极管的饱和失真;所述三极管Q2直接放大所述反射回波信号的功率，并进入滤波放大电路。
图5滤波放大电路原理图
预处理放大电路后的输出信号中含有干扰信号，不能直接由单片机进行处理，需要滤波和可编程增益放大器，如图5所示。超声波换能器在空气介质中接收低频噪声，在电路中接收高频噪声。超声波接收换能器接收到的反射回波信号振幅很小，转换后的电能也很小，因此不同振幅的反射回波信号必须通过可编程增益放大器放大。可编程增益放大器电路主要通过PGA112芯片实现增益控制。在回波信号的放大过程中，为了避免干扰信号放大引起的回波信号识别错误，必须对干扰信号进行滤波处理。超声波信号的振幅随着被测距离的变化而变化很大。反射回波信号在最远处和最近处的衰减程度不同。由于超声回波信号具有频率低、振幅小、易受干扰等特点，设计了一种带通滤波器来选择性地放大有效频段内的超声信号。当滤波放大电路和电压比较电路输出的信号高于参考电压值时，当单片机外部触发信号中断，定时结束时，输出低电平供单片机计算和处理数据[5]。
4. 避碰和预警系统的应用
超声波避碰预警应用超声波回波测距原理。超声波测距频率范围从20kHz到20MHz。该方法成本低，易于制造。随着频率的增加，检测距离减小。基于单片机的超声波测距仪利用单片机控制超声波的发射和接收。为了提高测距精度，还必须考虑温度对超声波传播速度的影响。因此，系统需要能够测量车辆所在的环境温度，根据温度确定超声波的电流传播速度，计算出当前的声速，得到准确的超声波测距结果。基于单片机控制的超声波测距车辆避碰系统软件应具备以下功能:(1)控制超声波的发射和接收;(2)测量超声波传播时间，计算障碍物到车辆的距离，将距离信息反馈给驾驶员;(3)紧急情况下碰撞安全距离的计算和车辆启动紧急制动装置的自动控制。这些是基于单片机控制的超声波测距车辆倒车系统软件最基本的163项功能[6][7][8]。该换向系统软件的设计可分为预置、发射、接收、显示、声音报警等几个模块。在运行的系统软件,模块指令执行顺序根据模块功能在一个固定的运行时间、预置子程序、发射子程序、调查和接收子程序调用子程序和时间,最后调查显示正在处理的数据信息,并反馈给司机在显示设备上。根据具体情况，判断是否报警，并给出报警类型。
4.1避碰建模原理
在避碰中使用的避碰模型一方面要提醒驾驶员，另一方面又不能干扰驾驶员的驾驶，以免影响正常驾驶。因此，模型应注意以下问题[9]:(1)报警距离和危险制动距离随着两车速度差的增大而增大;模型应该有预警距离和危险距离，预警距离的目的是对驾驶员进行预警，使驾驶员有足够的时间准备制动;
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