【導(dǎo)讀】蜂鳴器聲發(fā)出警示信號(hào)，從而使駕駛者倒車時(shí)不至于撞上障礙物。駕駛者無須回頭便可知車后的情況，使停車和倒車更容易，更安全。成果，對(duì)基于超聲波測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的研制進(jìn)行了深入探討和研究。的可靠性和可行性。師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別。或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人?；蚣w，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。部分或全部?jī)?nèi)容。

　　

【正文】 脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。 輸出 1． 5— 2． 5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)盧。蜂嗚器電路由單片機(jī)的 RD端控制。本系統(tǒng)報(bào)警燈由單片機(jī)脈沖信號(hào)觸發(fā)， 當(dāng) 測(cè)距距離小于 0． 6 米時(shí)報(bào)警燈亮。 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思想，然后分析了超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作方式，最后根據(jù)超聲波測(cè)距的工作原理和理論分析，對(duì)超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、測(cè)溫模塊、顯示模塊以及電源模塊的 硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 32 3 仿真 本文在對(duì)倒車?yán)走_(dá)技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真研究過程中所用的仿真工具是 MATLAB的 SIMULINK 仿真環(huán)境。 MATLAB 是美國(guó) MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和 Mathematica、 Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì) C， FORTRAN， C++ ， JAVA 的支持。可以直接調(diào) 用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用 。 MATLAB 的另一大特色就是具有豐富的工具箱，工具箱和具有矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程的特色使其成為一個(gè)功能強(qiáng)大的工具。 計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)對(duì)實(shí)際控制有重要指導(dǎo)意義。 MATLAB 的模糊邏輯工具箱及S1MULINK 有如下特點(diǎn)： (1)可靈活 的 設(shè)計(jì) 出 模糊控制器。在模糊邏輯工具箱中能 夠 方便 的 修改輸入輸出的論域、模糊子集、隸 屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則、模糊決策方法及解模糊方案，然后仿真找到最 佳的控制方案 。 (2)可 以 直接計(jì)算出 模糊控制表，以供單片機(jī)進(jìn)行實(shí)際控 制時(shí)使用。而人工計(jì)算出此表非常繁瑣。 (3)在 SIMULINK 環(huán)境下， 可以 組成更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如對(duì)象為時(shí)變、非線 性 ，控制器為模糊與 PID 的混合形式。 基于以上特點(diǎn)，本文采用 MATLAB 模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器。下面介河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 33 紹具體的實(shí)現(xiàn)方法。 系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì) 汽車倒車完成主要有 2 個(gè)標(biāo)志：其一看車是否在障礙物 (車庫 )中擺正，用車身是否和障礙物平行或車尾是否與障礙物平行來衡量；另一個(gè)標(biāo)志是，車兩側(cè)和后尾距障礙物 (車庫 )距離是否足夠小，用車距障礙物的距離來衡量。本文選用 2 個(gè)輸入量作為模糊控制器輸入量，以情 況一為例，兩個(gè)輸入量為： (1)d2d1 車身 1， 2點(diǎn)超聲波探頭測(cè)得的車身距障礙物值之差； (2)d3 用這兩個(gè)量來反映汽車與障礙物之間的方位關(guān)系。如圖 41 所示。 a） 輸入變量 e c2 el=d2d1：正大 (PB)、正小 (PS)、零 (zE)、負(fù)小 (Ns)、負(fù)大 (NP) e2=d3：很近 (VN)、近 (N)、較遠(yuǎn) (MF)、遠(yuǎn) (F)、很遠(yuǎn) (VF) 其中 d1， d2 分別為超聲波探測(cè)頭測(cè)得的車身距離障礙物的距離值。 b） 輸出變量口 車輪轉(zhuǎn)向 (θ )：右大 (PB)、右小 (RS)、停 (ZE)、左小 (Ls)、左大 (LB) c)模糊控制規(guī)則及隸屬度函數(shù) 模糊控制規(guī)則采用“ IF? AND? THEN?”形式。 (1)隸屬度函數(shù)的建立 d1 d2 d3 圖 41 倒車情況方位關(guān)系圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 34 取輸入 el 的論域?yàn)?{1， ， 0， ， 1}， 輸入 e2 的論域?yàn)?{， ， l， 2， 4)， 輸出口的論域?yàn)?{40，． 20， 0， 20， 40)共可建立 25條模糊控制規(guī)則。 在 MATLAB 中鍵入命令 FUZZY，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口 FIS Editor 如圖 42所示。建立 el， e2及 θ 的隸屬度函數(shù)，選用三角形 (trimf 隸屬度函 數(shù)，并在 Rules Edito 窗口中輸入 25 條隸屬度函數(shù) )。 輸入量 e1， e2 的隸屬度曲線分別見圖 4圖 44。 輸出量 θ 的隸屬度曲線見圖 45。 圖 42模糊邏輯編輯窗口圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 35 圖 43 e1的隸屬度曲線圖 圖 44 e2的隸屬度曲線圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 36 圖 45 θ的隸屬度曲線圖 模糊化過程，本文采用 MINMAX 推理規(guī)則，即先對(duì)前件求最小值，視其 為規(guī)則的真值加于后件； 再按有關(guān)的規(guī)則求后件的最大值，確定最終模糊輸出量。在解模糊方法中，有重心解模糊器和中心平均解模糊器兩種，以中心平均解模糊器優(yōu)點(diǎn)最多，所 以本文選用中心平均解模糊器，它具有計(jì)算簡(jiǎn)單，直觀合理的優(yōu)點(diǎn)。 模糊推理輸入輸出曲面圖如圖 46所示： 圖 46模糊推理輸入輸出曲面圖 建立輸出與輸入變量的數(shù)學(xué)關(guān)系模型 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 37 模糊控制輸出為車輪轉(zhuǎn)角θ的變化率與車身位移的變化率成一定的關(guān)系，通過這種關(guān)系建立起輸出與輸入的數(shù)學(xué)模型。 以汽車從左側(cè)入庫為例。θ為車輪的轉(zhuǎn)向角， dθ為車輪轉(zhuǎn)向角在瞬間的微小變化。 R 為汽車的轉(zhuǎn)向半徑， W 為當(dāng)前時(shí)刻車身的擺角， ds 為瞬間汽車向后倒的微小位移量。 ds 可分解為沿 x 軸方向和沿 Y 軸方向，沿 x軸方向的分量即為瞬時(shí) el(即 d2． d1)的變化量 de1，沿 Y軸方向的分量即為瞬時(shí) e2(即 d3)的變化量 de2。 由圖 47可得： ds=d? ? R R=Lcty? sin? =e1/L （ L為車輪距） （ 41） 由圖 47得到： de1=ds?sin? （ 42） de2=ds?cos? （ 43） 將式 (41)代入式 (42) 得到： de1=e1?ctg? ? d? （ 44） 本例中，汽車轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角 0 ?40??? ，根據(jù)泰勒中值定理，將 ctg? 在π /6處展開。 ctg? =cty（π /6） +cty（π /6）（ ? π /6） + !2 6/cty ）（ π （ ? π /6） 2 +?? （ 45） 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 38 將式 (45)簡(jiǎn)化： ctg? =? （ 46） 將式 (46)代入 (4)中，得到式 (47)。 del=el(— 4? )d? （ 47） 將式 (47)等式兩端進(jìn)行拉氏變換，并對(duì)兩階部分進(jìn)行省略，得到傳遞函 數(shù)如式 (48)。 86 1sse1 ??）（ ）（? （ 48） 86 ??）（ ）（? （ 49） 在汽車倒車中，由于車速很慢，所以轉(zhuǎn)動(dòng)是以車身中部為軸的，可視 dl 的瞬 間 變化為 0，所以 d2dl傳遞函數(shù)可以如式 (48)所示。同時(shí)在倒車過程中 d3的變化率略微大于 d2 的變化率， 為了簡(jiǎn)化仿真模型，其傳遞函數(shù)如式 (48)和(49)所示。 SIMULINK 仿真及參數(shù)的調(diào)整 MATLAB 提供的 SIMULINK 是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟θ d2 ds dθ 圖 47車輪轉(zhuǎn)角的變化率與車身位移的關(guān)系圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 39 件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。 SIMULINK 包含多個(gè)子模型庫，每個(gè)子模型庫中又有多個(gè)功能模塊。利用鼠標(biāo)可直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。仿真時(shí)可選擇各種數(shù)值算法、仿真步長(zhǎng)等重要參數(shù)，并可用模擬示波器將仿真結(jié)果予以顯示，直觀高效。 模糊控制不需對(duì)被控對(duì)象精確建模，對(duì)過程參數(shù)的變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，它根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)制定控制規(guī)則，得出控制決策表，然后求出控 制量的大小。如圖 48所示為在 SIMULINK 環(huán)境下建立的系統(tǒng)模糊控制結(jié)構(gòu)框圖。 圖 48 在 SIMULINK環(huán)境下建立的系統(tǒng)模糊控制結(jié)構(gòu)框圖 仿真效果分析 仿真運(yùn)行后示波器示波器 Scopel 顯示經(jīng)模糊控制輸出的車輪轉(zhuǎn)角圖 ，仿真結(jié)果如圖 49。 Scope 顯示倒車時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖 410所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 40 圖 49 車輪轉(zhuǎn)角圖 圖 410 系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)圖 由仿真結(jié)果可以 得 出，輸入階躍信號(hào)，系統(tǒng)輸出車輪轉(zhuǎn)角由左向 38 度 左右至右向 38 度 左右穩(wěn)定，車離障礙物的距離最終穩(wěn)定在 O． 35 米左右，符合 實(shí)際倒 車的一般規(guī)律，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。驗(yàn)證了本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的可行性，該系統(tǒng)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 41 能給駕駛者提供可較為可靠的 倒車依據(jù) ，此操作指令能夠幫助駕駛者將車倒入車庫。 本章小結(jié) 本章給出了汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)框圖，分析了系統(tǒng)模糊控制的結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)的流程圖進(jìn)行了描述。然后就系統(tǒng)模糊控制模塊的設(shè)計(jì)、模糊規(guī)則表的制定和在模糊控制過程中選用了中心平均解模糊方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。最后對(duì)系統(tǒng)模糊控制模塊的試驗(yàn) 仿真進(jìn)行驗(yàn)證，得出本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 42 5 總結(jié)與展望 本小型模擬系統(tǒng)基本達(dá)到了 預(yù)期的目標(biāo)， 仿真證實(shí)其可行性和穩(wěn)定性 。實(shí)際要用的倒車?yán)走_(dá)要在車后至少安裝兩對(duì)超聲波傳感器，以檢測(cè)到車后略寬于車的較大范圍的障礙物，左右距離的報(bào)警可以用不同頻率 (聲調(diào) )區(qū)別，仍然分別用間歇嗚叫頻率報(bào)警提示距離。系統(tǒng)由于采用了 單片機(jī) AT89S52，充分利用了其豐富的片上資源使得系統(tǒng)功能豐富，使用的外圍芯片減少，提高了系統(tǒng)可靠性。 不過目前市場(chǎng)上大多數(shù)倒車?yán)走_(dá)都或多或少存在誤報(bào)警和不報(bào)警的情況，也就是倒車?yán)走_(dá)的穩(wěn)定性問題，這是倒車?yán)走_(dá)最關(guān)鍵的性能，探測(cè)雷達(dá)所用的超聲波技術(shù)是一種模擬技術(shù)，性能不穩(wěn)定的雷達(dá)會(huì)出現(xiàn)亂跳 的現(xiàn)象。另外，目前倒車?yán)走_(dá)報(bào)警后，是采取駕駛員制動(dòng)的方法，而非自動(dòng)剎車，也是怕誤報(bào)警后的自動(dòng)剎車帶來負(fù)面影響，因此下一步的工作會(huì)放在怎樣通過收集不同的探測(cè)信號(hào)建立信息庫，來正確判斷雷達(dá)所探測(cè)到的不同情況，以作出盡可能正確的反應(yīng)，最大限度避免誤報(bào)警的負(fù)面影響。 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和汽車價(jià)格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有 的汽車。在享受汽車給我們帶來的便利的同時(shí)，由于倒車而產(chǎn)生的問題也日益突出。本文提出的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)方案硬件電路簡(jiǎn)單，具有性能好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 43 致 謝 本論文是在 指 導(dǎo) 老 師 楊金顯副 教授的親切關(guān)懷和嚴(yán)格要求下完成的，在論文完成的全過程都伴隨著 楊 老師的悉心指導(dǎo)。 楊老 師敏銳的思維、淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)的工作作風(fēng)以及寬厚待人的處世 態(tài) 度都給我留下了 深刻的印象，使我受益終生，在此向我的老 師致以衷心的感謝和崇高的敬意。 感謝 電氣學(xué)院的各位老師在我大學(xué)四年的學(xué)習(xí)期間，在學(xué)習(xí)和生活方 面給予的 幫助。同時(shí)感謝 楊偉偉，安朝陽，董曉東，連國(guó)華，徐禮華彎慶賓等 同學(xué)在學(xué)習(xí)與論文寫作上的幫助。 感謝我的父母 ，他們默默的支持和理解是我的論文得以順利完成的重要力量，在此一并致謝 ! 最 后，向所有參加評(píng)閱論文的專家、教授、老師們表示誠摯的謝意 !