【正文】 車輛碰撞報警系統(tǒng)的應(yīng)用。紅外線式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來實現(xiàn)測距的。 紅外線測距跟其它長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 測距原理相同，都是根據(jù)發(fā)射波和反射波的總時間來確定障礙物的距離的，相比之下，技術(shù)上易于實現(xiàn)，測距系統(tǒng)的成本也比較低廉。但是對障礙物位置的準(zhǔn)確判斷還存在隱患， 在惡劣天氣和長距離探測方面仍然不能滿足公路防撞的要求 ，所以從性能上來看，紅外測距是很不可取的。 本文開發(fā)的是適應(yīng)能力強(qiáng)，能受到大眾普遍接受的智能汽車防撞報 警系統(tǒng)，考慮到高速公路上霧天和雨天發(fā)生的交通事故比較多，所選用的距離傳感器必須在雨天、霧天和晴天都能夠全天候的工作。激光雷達(dá)、機(jī)器視覺探測方式雖然都能滿足要求，但是從成本角度考慮的話都不適合，普遍推廣難度有點大。超聲波是指頻率在 20kHz以上的機(jī)械振動波，它是針對障礙物測距的特殊要求而發(fā)展起來的一種測距方法。超聲波距離傳感器一般采用獨立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號 (40～ 80kHz)來激勵。測量發(fā)射一個超聲波脈沖至接收到反射信號所用的時間間隔，便可簡單地估計出被測物體的距離。數(shù)據(jù)處理簡單、快速，價格低 。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。所以用超聲波測距完全符合我們的要求。 測速系統(tǒng)方案的確定 自車速度通過自車上的 轉(zhuǎn)速傳感器測得。在整個系統(tǒng)中精確地測量汽車的轉(zhuǎn)速是提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。由于汽車自身所帶的轉(zhuǎn)速表測量精度很差，故應(yīng)對其轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行必要的選擇和設(shè)計。根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號大小的不同，可以采用不同方法將結(jié)果給單片機(jī)。轉(zhuǎn)速的測量方法有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機(jī)為檢測元件，得到的信號是模擬電壓量 。而數(shù)字式可以采用光碼器、光電式、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的是脈沖信號。由于此系統(tǒng)的車速傳感器的工作條件十分惡劣，發(fā)動機(jī)的熱源、汽油、水、電火花放射以及其它的電磁波形成的電氣環(huán)境較差，光電式 、光碼器、圓光柵易受到干擾，穩(wěn)定性變差。而霍爾轉(zhuǎn)速傳感器得到的是數(shù)字信號，抗干擾能力強(qiáng)，故本系統(tǒng)采用霍爾效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 霍爾集成元件作為傳感器具有精度高、靈敏度高、線性度好、體積小、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、無觸點等優(yōu)點，故其測量變速器的轉(zhuǎn)速是合適的。將傳感器的輸入軸與汽車車速表驅(qū)動軸連接，該軸通過軟軸與汽車變速器第二軸后端的車速里程表驅(qū)動渦輪軸相連，磁鋼均勻地分布在傳感器輸入軸的周圍。根據(jù)霍爾效應(yīng)，在控制電流恒定條件下，當(dāng)傳感器輸入軸上的每個磁鋼經(jīng)過霍爾感應(yīng)元件時，由于改變了磁通密度，便輸出一個脈沖信號 ，將變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖序列。該脈沖經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理后，可直接送入單片機(jī)進(jìn)行測試。單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理后，可得到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。 汽車防撞報警器的總體方案設(shè)計 ]8[ 汽車防撞報警系統(tǒng)是智能車輛的重要組成部分，是車載附加安全裝置之一。本系統(tǒng)以AT89C2051 作為系統(tǒng)的主要控制單元，完成對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理。該報警器由控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、接收電路、測速電路、報警電路、 LED 顯示電路組成，電路原理框圖見圖 21 P 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5X T A L 1X T A L 2P 1. 7P 1. 6P 3. 2P 3. 5AT89C2051N E 55 5 超聲波發(fā)射探頭語音報警電路 揚聲器放大整形電路超聲波發(fā)射探頭倍頻電路 傳感器測速電路12X T A LC1C2速度顯示 距離顯示M C S 14 49 9 M C S 14 49 9 圖 21 系統(tǒng)總原理框圖 系統(tǒng)通過安裝在汽車前部的超聲波發(fā)射探頭測量自車與前方障礙物的距離，將距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的控制單元，控制單元同時收集自車車速信息，并結(jié)合自車的運動狀態(tài)辨別目標(biāo)運動狀態(tài) (靜止或運動 )，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計算出汽車此時應(yīng)保持的安全距離，并與實測距離進(jìn)行比較，一旦實測距離小于安全距離，則啟動相關(guān)的報警單元，提醒駕駛員采取正確措施，避免碰撞事故發(fā)生。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 本系統(tǒng)采用單片機(jī)通過計算測量模型提醒報警距離與實測距離進(jìn)行 比較，當(dāng)實測距離值小于報警距離時，系統(tǒng)報警 。當(dāng)實測距離大于報警距離時，系統(tǒng)不發(fā)出報警。在這兩種情況下，同時顯示屏顯示自車與前方障礙物的距離和自車的速度。但是在一些不必要的場合，系統(tǒng)的警報應(yīng)當(dāng)抑制，如汽車處于轉(zhuǎn)彎、低速、超車和己制動的情況下應(yīng)抑制報警。因為在轉(zhuǎn)彎時，頻繁的報警會引起駕駛員的厭煩 。在低速行駛時，發(fā)生重大交通事故的可能性很低；車時，由于超聲波會探測到高速公路護(hù)欄，系統(tǒng)不易鑒別，可能會產(chǎn)生虛警 。已采取制動時，事故的可能性己大大地減少，出現(xiàn)惡性事故的可能性更小，因而上述三種情況應(yīng)抑制報警。 汽車防撞安全模型的建立 ]9[ 在超聲波測距中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是超聲波往返距離的測定，而測量過程是以用戶設(shè)置的時間間隔為周期循環(huán)進(jìn)行的，每次的測量周期，需要進(jìn)行的步驟是 ： ? 測量傳播時間 ； ? 計算測量距離。 在每個測量周期中， 單片機(jī) 根據(jù) 設(shè)置的輸入信號處理參數(shù)值 ，評估每次測量是否合理，有問題的測量結(jié)果將被剔除，并用上一次周期的測量結(jié)果替代，在每一次測量周期結(jié)束后，CPU處于等待狀態(tài)直至下一個測量周期的到來。傳播時間的測量如下 ： ? 單片機(jī) 復(fù)位清零 ； ? 清零傳播時間計數(shù)器 ； ? 單片機(jī) 給出發(fā)射信號，驅(qū)動發(fā)射換能器，發(fā)出超聲波，同時啟動傳播時間計數(shù)器 ； ? 接收換能器將接收到的超聲波脈沖轉(zhuǎn)換為電信號輸入到接收回路 ； ? 接收電路判斷輸入脈沖是否檢測電波的第一個脈沖沿； ? 校驗接收到的信號特征是否符合 ； ? 確定該信號是所測信號時停止傳播時間計數(shù)器 ； ? 如果在當(dāng)前最大估算時間沒有檢測到信號，則復(fù)位所有標(biāo)志位，重新測量； 根據(jù)確定的測量時間，就可以進(jìn)行距離計算了，而測量時間的確定，還與具體的硬件電路設(shè)置有關(guān)，為了提高測量時間的精確性，則要采用比較好的算法。 系統(tǒng)檢測距離的原理是通過單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波串后，檢測接收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時利用單片機(jī)計算出收到回波所用的時間 t 和確定超聲波在空 中 傳播的速度 v 。則障礙物到汽車距離為 2tv? 根據(jù)測出來的相應(yīng)距離，通過 單片機(jī) 計算后判斷作出長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 報警響應(yīng)。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測出障礙物到汽車的距離，盡量減少誤差，采取算法為：兩對超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車前，兩者相隔 ，如圖 22 所示， A 、 B 分別代表兩對超聲波收發(fā)器， AB = 假設(shè) F 代表障礙物，聲波的傳播速為 v ，由于聲波傳播是來回反射的，則 2 2tAF v?? ， 1 2tBF v?? ，也就是只要把時間 1t 與 2t 確定下來就可以計算出 BF 與AF ， 然 后 利 用 海 倫 公 式 ， 設(shè) ()2A F B F A BL ??? ， 有( ) ( ) ( )S L L A F L B F L A B? ? ? ?，這就可以求出 ABF? 的面積為 S ，則 2SEF AB? 其中 EF 就是 汽車前方與障礙物之間的距離。 圖 22 測距算法幾何圖 A B F t1 t2 E 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 3 超聲波測距系統(tǒng)簡介 超聲波的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 ]10[ 眾所周知，超聲波測距技術(shù)由來已久，已在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如利用超聲波技術(shù)的自動測距照相機(jī)、建筑上使用的手持式墻面測距儀。這些儀器的組成是較為簡單的，通常由超聲波測距傳感器（分為收、發(fā)分體式和一體式）和 電子元器件組成。由于這樣的儀器功能不強(qiáng)，現(xiàn)在已逐漸淡出人們的生產(chǎn)生活中。 近年來隨著微電子技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的小型價廉的微處理器（單片機(jī)）的出現(xiàn)，使超聲波測距傳感器的功能得到了提升。有了微處理器不僅使測距的精度大為提高，而且為超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用開辟更大的空間。人們首先設(shè)計出了基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)如雨后春筍般層出不窮，國內(nèi)外的許多科研單位、廠家研制生產(chǎn)了這樣的測距儀。但有些場合，只裝備單個傳感器系統(tǒng)已不能滿足人們的需要了，于是就有了多個傳感器組成的列陣。支持這類系統(tǒng)的技術(shù)是近年來從軍事上發(fā)展的 多傳感器信息融合技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)。國內(nèi)的科研單位也在進(jìn)行這方面的科研工作。例如：北京中科院自動化研究所的研制基于 DSP（ Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理 ） 的多超聲波測距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；中國礦業(yè)大學(xué)信息工程院將多超聲波傳感器列陣應(yīng)用于礦井下的機(jī)器人；國防科技大學(xué)自控系設(shè)計用于自主車?yán)@障的超聲傳感器線陣。而這些系統(tǒng)大多是為自主移動機(jī)器人而開發(fā)的。另外，在國外改進(jìn)超聲波傳感器的工作也有所進(jìn)展，在美國已經(jīng)有人采用光纖傳感器來收集超聲波傳感器列陣的龐大信息 。 超聲波測距的工作方式 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文超聲波發(fā)生器主要包括兩大類，一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動型；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生，包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛。目前較為常用的是壓電型超聲波發(fā)生器。 超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜，在這里使用脈沖反射式。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲 波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。在超聲探測電路中，在發(fā)射端得到的輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時間間隔，顯然被測物長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個數(shù)與被測距離成正比。 圖 31 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實物圖 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器有兩個壓電晶片和一個共振板。發(fā)射超聲波時，壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生共振，并帶動 共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。接收超聲波時，兩電極間未外加電，共振波接收到超聲波，將壓迫壓電晶片作振動將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號。 ]11[ 超聲波測距原理 超聲波測距的原理是，通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差 T ，然后求出距離 2/TCS ?? ，其中， C 為超聲波波速。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間， 即可求得距離。 ]8[ 在超聲波測距中，雖然可以通過分析波形頻率、相位等特征通過數(shù)學(xué)關(guān)系來得到要測量的距離值，但更為一般的是通過分析發(fā)射波與回波的時間差來獲取距離值，這也就是一般所說的聲納原理。 由系統(tǒng)控制單元送出的 40 KHz超聲波頻率信號經(jīng)放大推動輸出給升壓變壓器初級，通過由變壓器副邊和壓電換能晶片構(gòu)成的 LC 振蕩電路轉(zhuǎn)換成 40KHz頻率的超聲波，組成 T20 (周期 )為一超聲波發(fā)射波束，波束時間長度為 (25 20 500vs T vs??)，壓電換能晶片可將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射到被檢測物體，或把被檢測物體反射的聲波轉(zhuǎn)換成電信號。 換能晶片在系統(tǒng)控制單元送出的 40 KHz信號起振，推動空氣發(fā)出超聲波，超聲波能在固體、液體和氣體類的彈性介質(zhì)中傳播，因而具有不怕雨、水和塵等，能在空氣中穩(wěn)定傳播，且不易受外界聲音的干擾等特性。換能晶片發(fā)出的超聲波自振效應(yīng)越短越好，因此要給 LC振蕩電路加阻尼電阻，降低 LC 振蕩電路的 Q 值，使發(fā)出超聲波波束后的阻尼振蕩波快速衰長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 減，以等待接收 障礙物反射回饋的超聲波束信號。 在超聲波傳感器發(fā)出的聲波碰到障礙物后反射到換能晶片，在壓電反應(yīng)下產(chǎn)生一振蕩電壓送運算放大器電路進(jìn)行運算放大并整形后送主機(jī)控制單元，主機(jī)根據(jù)發(fā)送和接收信號的時間差及相應(yīng)的那個 US回波，就能得出距離。 超聲波信號經(jīng)超聲波傳感器發(fā)出去以后，遇到固體或者液面等障礙物后會反射回來，超聲波接收器接收到反射回來的超聲波，并且將其轉(zhuǎn)換為電信號測出，根據(jù)接收到的發(fā)射波與發(fā)射波的時間差，就可以算出所測的距離，距離計算公式是： 2vtS? 其中： S 是所測得的距離， v 是超聲波在 空氣中 的 傳播 速度，其試驗值 等于 ， t 是超聲波從發(fā)射到接收到第一個回波經(jīng)過的時間。 對上式進(jìn)行全微分，得到如下關(guān)系式： 12S ?