【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓力晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，將機(jī)械的能轉(zhuǎn)為電信號(hào)的這一過(guò)程，這就成了超聲波探頭的工作原理。為了更好地研究超聲波和利用起來(lái)，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造出很多超聲波發(fā)聲器，超聲波探頭加以運(yùn)用在使用汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)上。 這種原理用在一種非接觸檢測(cè)技術(shù)上 ，用于測(cè)距來(lái)說(shuō)其計(jì)算簡(jiǎn)單 ,方便迅速 ,易于做到實(shí)時(shí)控制，距離準(zhǔn)確度達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。倒車(chē)?yán)走_(dá)用于測(cè)距上，在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波 信號(hào)，在遇到被測(cè)物體后的射回信號(hào)波，被倒車(chē)?yán)走_(dá)接收到，得用在超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收回波信號(hào)這一個(gè)時(shí)間而計(jì)算出在介質(zhì)中的傳播速度，這就可以計(jì)算出探頭與被探測(cè)到的物體的距離。 探測(cè)盲區(qū) 雖然 倒車(chē)?yán)走_(dá) 給我們帶來(lái)很多方便，但不能過(guò)分依賴(lài)，因?yàn)槔走_(dá)也有盲區(qū)，在以下這幾種情況下，雷達(dá)是不會(huì)做出反應(yīng)的： 過(guò)于低矮的障礙物 一般來(lái)說(shuō)低于探頭中心 10~15cm 以下的障礙物就有可能被探頭所忽視，而且障礙物距離車(chē)位距離越近，這一高度值也就會(huì)隨之降低，危險(xiǎn)性也隨之增大。 過(guò)細(xì)的障礙物 由于雷達(dá)探頭發(fā)射的聲波信號(hào)較窄，因此在探測(cè)較細(xì)的障礙物是存在著較大的盲 5 區(qū)，一些道路上用來(lái)阻隔車(chē)輛的隔離樁，電線桿上的斜拉鋼纜都是危險(xiǎn)物品。 溝坎 雷達(dá)是用來(lái)探測(cè)障礙物的，車(chē)后有著溝坎，那么雷達(dá)是絕對(duì)不會(huì)做出反應(yīng)的。 6 第 2 章 泊車(chē)輔助系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 方案 測(cè)距方式和提示方式比較 測(cè)距方式 測(cè)距方式對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度及穩(wěn)定性都有較大影響。因此選擇一種合適的測(cè)距方式對(duì)系統(tǒng)性能提高有很大幫助。目前汽車(chē)倒車(chē)探測(cè)器使用的距離測(cè)量方式多種多樣，主要有激光測(cè)距、紅外線測(cè)距、 CCD 攝象機(jī)和超聲波測(cè)距這幾種，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面對(duì)它們各自的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析和比較。 一、 激光測(cè)距 激光測(cè)距裝置是一種光子雷達(dá)系統(tǒng)，它具有測(cè)量時(shí)間短、量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前在汽車(chē)上應(yīng)用 較廣的激光測(cè)距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達(dá)和成像式激光雷達(dá)。非成像式激光雷達(dá)根據(jù)激光束傳播時(shí)間確定距離。它的工作原理是 :從高功率窄脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)發(fā)射物鏡聚焦成一定形狀的光束后，用掃描鏡左右掃描，向空間發(fā)射，照射在前方車(chē)輛或其他目標(biāo)上，其反射光經(jīng)掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖，被導(dǎo)入到信號(hào)處理裝置內(nèi)的光電二極管，利用計(jì)數(shù)器計(jì)算激光二極管啟動(dòng)脈沖與光電二極管的接收脈沖間的時(shí)間差，即可求得目標(biāo)距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測(cè)器測(cè)定反射鏡的角度即可測(cè)出目標(biāo)的方位。成像式激光雷達(dá)又可分為掃描成像激光雷達(dá)和非掃描 成像激光雷達(dá)。掃描成像激光雷達(dá)把激光雷達(dá)同二維光學(xué)掃描鏡結(jié)合起來(lái)，利用掃描器控制激光的射出方向，通過(guò)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量，即可獲得視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的三維信息。非掃描成像式激光雷達(dá)將光源發(fā)出的經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制的激光經(jīng)分束器系統(tǒng)分為多束光后沿不同方向射出，照射待測(cè)區(qū)域。由于非掃描成像激光雷達(dá)測(cè)點(diǎn)數(shù)目大大減少，從而提高了系統(tǒng)三維成像速度。在汽車(chē)測(cè)距系統(tǒng)中，非成像式激光雷達(dá)更具有實(shí)用價(jià)值。同成像式激光雷達(dá)相比，具有造價(jià)低、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。但由于激光雷達(dá)測(cè)距儀器工作環(huán)境是處于高速運(yùn)動(dòng)的車(chē)體中，振動(dòng)大，對(duì)其穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求，其體積也受到了一定的限制，同時(shí)還要考慮省電、低價(jià)、對(duì)人眼安全等因素。目前，在汽車(chē)上，上述各種激光雷達(dá)測(cè)距儀均有應(yīng)用，但成像式激光雷達(dá)還在進(jìn)一步研究之中。 二、 紅外線測(cè)距 紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光線長(zhǎng)，是肉眼看不見(jiàn)的光，波長(zhǎng)為 ～ 1000μ m。有顯著的熱效應(yīng)和較強(qiáng)的穿透云霧的能力。同時(shí)，任何物體在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)出紅外線。車(chē)載傳感器通過(guò)發(fā)射并接收前方物體反射回的紅外線，依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱及波長(zhǎng)的不同，同時(shí)分析時(shí)間差，可分析出前方物體的性質(zhì)及與汽車(chē)的距離。但其由于波長(zhǎng)及大小很難準(zhǔn)確分辯，因此 紅外傳感器角度分辨率高，而距離分辨率低。由于紅外線人類(lèi)肉眼感知不到，具有極強(qiáng)的隱蔽性，夜間同樣不妨礙測(cè)距儀的工作，故該種測(cè)距儀廣泛應(yīng)用在軍用汽車(chē) 7 上。但是 ,它比較容易受到光源和熱源影響。 三、 CCD 攝像機(jī) CCD ( Charge Coupled Device)攝像機(jī)即電荷耦合器攝像機(jī)，它是一種用來(lái)模擬人眼的光電探測(cè)器。它具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗小、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、光計(jì)量準(zhǔn)確等優(yōu)良特性，在汽車(chē)行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。利用面陣 CCD，可獲得被測(cè)視野的二維圖像，但無(wú)法確定與被測(cè)物體之間的距離。只使用一個(gè) CCD攝像機(jī)的系統(tǒng)稱(chēng)為單目攝像系統(tǒng)，在汽車(chē)上常用于倒車(chē)后視系統(tǒng)，輔助駕駛員獲得后視死角信息，以避免倒車(chē)撞物。為獲得目標(biāo)三維信息，模擬人的雙目視覺(jué)原理，利用間隔固定的兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)對(duì)同一景物成像，通過(guò)對(duì)這兩幅圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，即可確定視野中每個(gè)物體的三維坐標(biāo)，這一系統(tǒng)稱(chēng)為雙目攝像系統(tǒng)。雙目攝像系統(tǒng)模仿人體視覺(jué)原理，測(cè)量精度高。但目前價(jià)格較高，同時(shí)由于受軟件和硬件的制約，成像速度較慢。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件性能的提高，最終將得到廣泛應(yīng)用。 四、 超聲波測(cè)距 超聲波一般指頻率在 40KHz 以上的機(jī)械波，具有穿透性較強(qiáng) 、衰減小、反射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，超聲波測(cè)距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理裝置三部分組成。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來(lái)的反射波后，也向測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號(hào)處理裝置對(duì)接收的信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車(chē)與障礙物之間的距離。 超聲波在空氣中傳播的速度會(huì)受到溫度、濕度、大氣壓力等因素的影響，在這些因素中，溫度對(duì)其速度的影響更大一些，而且環(huán)境溫度的變化更為經(jīng)常。研究表明，聲速v與熱力學(xué)溫度θ的平方根成正比， 溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。 0℃時(shí)，空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)值為 / s，而空氣中聲速的近似表達(dá)式為： 3 3 1 .4 1 / 2 7 3c ??? (m/s)，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s，即 : /2s ct? 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 超聲波測(cè)距儀原理簡(jiǎn)單，在自身特性諧振點(diǎn) 40KHz 附近可獲得較高的靈敏度；諧振帶寬、波束角可以通過(guò)制作工藝控制得很窄，有利于抗聲波干擾設(shè)計(jì)；不受無(wú)線電頻譜資源限制，易于抗電磁干擾 設(shè)計(jì)；超聲波測(cè)距系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景好。但其在高速行駛的汽車(chē)上的應(yīng)用有一定局限性，這是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣仁芴鞖庥绊戄^大，不同的天氣條件下傳播速度不一樣；另一方面是對(duì)于遠(yuǎn)距離的障礙物，由于反射波過(guò)于微弱，使得靈敏度下降。故超聲波測(cè)距常用于在短距離測(cè)距，最佳距離為 45m，一般應(yīng)用在汽車(chē)倒車(chē)防撞系統(tǒng)上。 通過(guò)對(duì)以上幾種測(cè)距方式的分析比較，可以看出超聲波測(cè)距方式在短距和低速測(cè)量方面比上述其它幾種技術(shù)更具優(yōu)越性。因此本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距方式。 8 預(yù)警提示方式 預(yù)警提示方式好壞是設(shè)計(jì)的汽車(chē)倒 車(chē)探測(cè)器是否實(shí)用的重要標(biāo)志。目前主要有轟鳴器提示、數(shù)碼波段顯示、液晶熒屏顯示，魔幻鏡顯示，音響提示等單個(gè)或多種方式相結(jié)合的提示方式，下面對(duì)這幾種提示方式進(jìn)行分析和比較。 一、 轟鳴器提示 車(chē)體與障礙物距離的改變使電路中電壓或電流變化不同給蜂鳴器不同信號(hào)，轟鳴聲越急，表示車(chē)輛離障礙物越近。此方式?jīng)]有語(yǔ)音提示，也沒(méi)有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車(chē)有多遠(yuǎn)，對(duì)司機(jī)幫助不大。 二、 數(shù)碼波段顯示 數(shù)碼和波段組合在一起，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由 3種顏色來(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，一般表 示障礙物與車(chē)體的距離有 以上；黃色代表警告距離，一般表示與障礙物的距離只有 － ；紅色代表危險(xiǎn)距離，一般表示與障礙物之間只有不到 的距離。這種方式比較實(shí)用，一目了然，但沒(méi)有聲響，警示效果不好。 三、 液晶熒屏顯示 動(dòng)態(tài)顯示，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤(pán)上，安裝很方便。不過(guò)液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。 四、 魔幻鏡顯示，音響提示 其外形就是一塊倒車(chē)鏡，所以可以不占用車(chē)內(nèi)空間，直接安裝在車(chē)內(nèi)倒視鏡的位置，顏色款式多樣。語(yǔ)音提示比較方便， 避免駕駛員過(guò)度關(guān)注顯示器，分散注意力。但需要專(zhuān)業(yè)集成芯片，技術(shù)上較為復(fù)雜。此方案造價(jià)較高，比較適合高檔汽車(chē)，可以按照個(gè)人需求和車(chē)內(nèi)裝飾選配。 五、 聲音＋數(shù)碼距離顯示＋指示燈 數(shù)碼管顯示距離，聲音、指示燈提示，比較實(shí)用，直觀，方便。 通過(guò)對(duì)預(yù)警提示方式的分析，綜合其特點(diǎn)，采用聲音、 LED 數(shù)碼管燈相結(jié)合的提示方式。 方案確定 本次設(shè)計(jì)方案采用超聲測(cè)距方式， DS1820芯片測(cè)溫， AT89C2051單片機(jī)做處理器，處理數(shù)據(jù)并計(jì)算聲速及距離，用 LED數(shù)碼管顯示距離，用報(bào)警器、示意指示燈報(bào)警。 倒車(chē)時(shí)倒檔啟動(dòng) 探測(cè)器系統(tǒng)，單片機(jī) AT89C2051作為主控器，控制 DS1820芯片并處理所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)?？刂朴?555定時(shí)器及超聲波換能器 CSB40T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器 T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，經(jīng)濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機(jī)的 INT0口。如果 INT0接收的信號(hào)由高電平變 9 AT89C2051單片機(jī)系統(tǒng) 超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路 超聲波換能 器 CSB40T 超聲波換能 器 CSB40R 隔直濾波 三級(jí)放大 電壓比較器 ， 閥值電壓可調(diào) 擴(kuò) 音 器 報(bào)警電路 溫 度 測(cè) 量 D S 1 8 2 0 數(shù)碼管 距 離 顯 示 發(fā)光二極管 為低電平，此時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷，關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算結(jié)合由所測(cè)溫度值換算出的聲速值就可以得出車(chē)體與障礙物之間的距離。根據(jù)計(jì)算的車(chē)體與障礙物之間的距離值及其與 設(shè)定距離值的比較結(jié)果給顯示電路及提醒電路不同提醒信號(hào)，產(chǎn)生不同的聲光效果，引起駕 駛?cè)藛T注意，以便采取相應(yīng)行動(dòng)。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 測(cè)距探測(cè)器方案 除了上述方案分析比較中講述的超聲波測(cè)距所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)外超聲波測(cè)距在某些特定場(chǎng)合還有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測(cè)距系統(tǒng)是利用計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸來(lái)測(cè)量距離的，因此它是一種非接觸式的測(cè)量，所以它能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。 考慮到所設(shè)計(jì)產(chǎn)品是主要服務(wù)于普通用戶(hù)，而且要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方 便、成本低廉實(shí)用性強(qiáng)。因此選擇利用超聲波傳感器來(lái)作為探測(cè)器。 由發(fā)射波束特性知，由于擴(kuò)散角的原因，超聲波的角度分辨率較低，但距離分辨率較高 (1cm左右 )，目前最大探測(cè)距 15m，最小盲區(qū) 。超聲波傳感器具有反應(yīng)靈敏、探測(cè)速度快 (一個(gè)測(cè)量周期僅需幾十毫秒 )的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低。 傳感器的工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損 10 失，障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。 工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮 : (1)如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損 失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。 (2)工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的換能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高， “細(xì)節(jié) ”容易辯識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。 (3)從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。 綜上所述，由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大 因而選擇測(cè)距儀工作頻率在 40KHz，發(fā)射角與接收角均為 60 度的錐角。這樣傳感器方向性尖銳，且 避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。所以本方案選用的探頭是收發(fā)分體式 40KHz 的超聲傳感器。 超聲波發(fā)射方案 發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈 (有時(shí)裝在探頭內(nèi) )，調(diào)諧頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定。發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件。發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻 帶 較寬。本文采用非調(diào)諧式。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲波，電路頻率的選擇應(yīng)該滿(mǎn)足發(fā)射傳 感器的固有頻率 40KHz。這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一個(gè)發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對(duì)于接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是，每一個(gè)實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過(guò)了這個(gè)極限值以后，會(huì)對(duì)傳感器的內(nèi)部造成不可回復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過(guò)這個(gè)極限值。發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓只達(dá)毫伏級(jí)，甚至微伏。要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必 須放大到一定的幅度。本文采用由 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧震蕩器驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，驅(qū)動(dòng)頻率為 40KHz。 超聲波回波接收方案 在超聲波發(fā)射完畢后，再延遲一小段時(shí)間才能進(jìn)行接收，目的是為了避免單片機(jī)對(duì)發(fā)射頭直接傳送到接收頭的信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)而不能正常工作。 超聲波