采用激光測(cè)距和超聲波測(cè)距相結(jié)合的汽車防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.引言

隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，越來越多的距離檢測(cè)設(shè)備將會(huì)不斷面世。目前，運(yùn)用于汽車測(cè)距主要有以下四種方式：毫米波雷達(dá)測(cè)距方式；攝像系統(tǒng)測(cè)距方式；激光測(cè)距方式；超聲波測(cè)距方式。毫米波雷達(dá)存在電磁波相互干擾問題，攝像系統(tǒng)則造價(jià)高昂，均難以在汽車上普及。激光測(cè)距具有測(cè)量時(shí)間短、量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)汽車從低速前進(jìn)到高速前進(jìn)的測(cè)距需求，避免汽車高速行駛時(shí)因測(cè)距速度慢造成的測(cè)距失準(zhǔn)現(xiàn)象。超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單，制作方便，成本比較低，但其只適用于較短距離低速測(cè)距，故將其應(yīng)用于汽車倒車時(shí)測(cè)距。本文提出的將激光測(cè)距和超聲波測(cè)距相結(jié)合的安全報(bào)警系統(tǒng)，旨在幫助駕駛員在汽車多種行駛狀況、多方位探知并顯示車輛與周圍障礙物的距離，當(dāng)障礙物距離小于設(shè)定安全距離時(shí)給駕駛員警報(bào)，避免駕駛員反應(yīng)不及時(shí)引發(fā)交通事故。

2.防碰撞系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)汽車防碰撞，關(guān)鍵還在于測(cè)距防碰撞系統(tǒng)的應(yīng)用。本系統(tǒng)由測(cè)距模塊、控制計(jì)算單元、顯示單元、報(bào)警單元、執(zhí)行單元等組成。其中測(cè)距模塊包括汽車前進(jìn)時(shí)工作的激光測(cè)距模塊和汽車倒車時(shí)工作的超聲波測(cè)距模塊。兩者分別通過各自的通訊電路與控制單元相連，可在汽車前進(jìn)后退等多種工況對(duì)汽車周邊障礙物進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，并把汽車與障礙物距離傳遞至控制單元，控制單元通過連接的執(zhí)行單元，報(bào)警單元等進(jìn)行聲光報(bào)警，主動(dòng)制動(dòng)等防碰撞功能的執(zhí)行。系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的原理是脈沖反射式，即利用其反射特性來工作。原理如圖2所示。

通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C,而根據(jù)計(jì)時(shí)器測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S,即：S=Ct/2.

激光測(cè)距的原理（原理圖如圖3所示）與超聲波測(cè)距原理不同，利用的是三角法測(cè)距。

發(fā)射器向前發(fā)射脈沖，碰到障礙物后反射回來的回波被接收器接收，回波的圖像通過透鏡匯聚到傳感器上形成像點(diǎn)。當(dāng)激光照射的物體移動(dòng)時(shí)，像點(diǎn)也在傳感器上移動(dòng)，在基線長(zhǎng)度已知、光源和傳感器及透鏡的相對(duì)位置確定的前提下，通過測(cè)量傳感器上像點(diǎn)的位置就能準(zhǔn)確確定被測(cè)物體與儀器之間的距離。

4.系統(tǒng)硬件及其運(yùn)行

控制與計(jì)算單元的主體采用STC89C52RC單片機(jī)，該單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器。

擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,能夠?yàn)楸姸?a target="_blank">嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。蜂鳴器和led燈組成報(bào)警單元，能夠及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

此外，本系統(tǒng)采用深圳盈勤科技有限公司生產(chǎn)的REALWAVE SRF020M01A激光距離傳感器。該傳感器采用高性能專用芯片設(shè)計(jì)而成，精度高穩(wěn)定性好。單次測(cè)距輸入指令為“a/A”,返回?cái)?shù)據(jù)通過幀的方式包裝發(fā)送。超聲波傳感器則采用市面常用的傳感器。

汽車前進(jìn)時(shí)，車速較高，除超聲波模塊部分系統(tǒng)全部開始工作?？刂茊卧▎纹瑱C(jī)）通過RS232串行通訊電路向激光測(cè)距模塊發(fā)送測(cè)距命令（“a/A”），控制激光測(cè)距模塊向前發(fā)射光脈沖，模塊接收到遇到障礙物反射回來的激光脈沖后分析計(jì)算汽車與障礙物距離，并通過RS232通訊電路將數(shù)據(jù)以16進(jìn)制數(shù)包裝發(fā)送給單片機(jī)，具體數(shù)值為“ee+06+* * * *+cc”,ee為幀頭，cc為幀尾，第3個(gè)*表示16進(jìn)制的測(cè)量結(jié)果。

單片機(jī)轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制后使顯示電路動(dòng)態(tài)顯示障礙物距離S,同時(shí)判斷如S小于設(shè)定門限值K,則使報(bào)警單元的紅色LED燈持續(xù)閃爍，蜂鳴器連續(xù)長(zhǎng)鳴報(bào)警，提醒駕駛員及時(shí)采取防碰撞措施。一定時(shí)間后駕駛員仍未采取有效措施時(shí)，單片機(jī)使執(zhí)行單元緊急制動(dòng)剎車，主動(dòng)避免發(fā)生碰撞。

汽車倒車時(shí)，車速較低，超聲波模塊代替激光測(cè)距模塊工作。在單片機(jī)IO口大于10US的高電平信號(hào)控制下，自動(dòng)向后發(fā)射8個(gè)40KHZ的方波。

超聲波返回后單片機(jī)由INT0引腳高電平持續(xù)時(shí)間測(cè)得超聲波往返時(shí)間，通過換算得到汽車與障礙物之間的距離。之后利用系統(tǒng)的各個(gè)單元實(shí)現(xiàn)與激光測(cè)距相同的防碰撞工作。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4為超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，超聲波模塊向后發(fā)射超聲波，接收超聲波的同時(shí)開啟定時(shí)器定時(shí)，由測(cè)量到的時(shí)間T計(jì)算得到障礙物距離S,顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示連續(xù)變化的距離S.如果距離S小于設(shè)定的門限值，則系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，LED燈不斷閃亮，蜂鳴器持續(xù)鳴響，提醒駕駛員及時(shí)采取措施避免碰撞。延時(shí)1秒后如果距離S仍小于設(shè)定的門限值，表明駕駛員未進(jìn)行任何有效操作，故系統(tǒng)控制汽車緊急制動(dòng)，主動(dòng)避免防碰撞的發(fā)生。

圖5為激光測(cè)距軟件設(shè)計(jì)，激光模塊發(fā)射接收激光脈沖后，由模塊內(nèi)部電路同時(shí)完成計(jì)算距離S工作。如果S小于門限值則進(jìn)行報(bào)警。

6.結(jié)論

系統(tǒng)選用了激光測(cè)距傳感器和超聲波測(cè)距傳感器相結(jié)合的組合式測(cè)距方式。

單一傳感器的測(cè)距方式受傳感器的應(yīng)用條件限制較大，難以滿足汽車復(fù)雜的行駛狀態(tài)和多變的外部環(huán)境，故本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。在汽車前進(jìn)，倒車，低速，高速等多種行駛狀態(tài)，本系統(tǒng)均能對(duì)汽車周圍環(huán)境的障礙物進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和測(cè)距，使汽車主動(dòng)進(jìn)行防碰撞，防止交通事故的發(fā)生，具有廣闊的研究前景。