CN104076364A

CN104076364A - 基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统

Info

Publication number: CN104076364A
Application number: CN201410336450.8A
Authority: CN
Inventors: 王献林; 刘志远; 聂文田; 邓中祚
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2014-10-01

Abstract

基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，属于超声波定位技术领域。为了解决现有障碍探测产品成本高、智能化程度低、设计复杂、功能固化等问题。它包括：发射系统，用于产生40KHz的超声波，并向汽车障碍物发射；接收系统，用于接收汽车障碍物反射的回波信号；测温系统，用于测量环境温度；单片机系统，根据测量的环境温度修正发射超声波的速度，记录发射系统发送超声波和接收系统接收回波信号的时间间隔，计算与汽车障碍物的距离，并向汽车的电机驱动系统发送驱动信号，将所述距离发送给虚拟仪器显示系统；虚拟仪器显示系统，用于通过串口通信与单片机交换数据，并将接收的距离信号进行显示。它用于汽车对障碍物进行探测。

Description

基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统

技术领域

本发明属于超声波定位技术领域。

背景技术

声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，超声是人耳听不到的信号。直到18世纪，人们开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，超声波是声波的一种。

由于人耳听域有限，所以在自然界中似乎超声不存在，其实超声是广泛存在的。人耳听到的声音只是自然界声音的一部分，即可听声部分，而即使是可听声部分的声音，有时仍然含有超声成分，只是人耳听不到。比如自然界中许多动物发出的声音中就含有超声成分，蝙蝠就是最典型的例子。它可以利用超声进行探测洞穴、捕获昆虫，利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段,也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波),借助空气媒质传播,由待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多,其传播时间就比较容易检测,并且它有易于定向发射，方向性好，强度易控制的特性，因而人类利用超声波测距。

超声波在对障碍物进行定位方面具有以下突出的优点：

(l)超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；

(2)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；

(3)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此，超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较高。

随着科学技术的发展，超声波障碍探测技术在国防、汽车工业、公路监测及日常生活中无处不在。例如，在汽车工业领域制成的倒车、防撞系统已广泛投入使用，避免了汽车事故的发生。

目前障碍探测产品主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。由于硬件的束缚，这种系统具有成本高、智能化程度低、设计复杂、功能固化等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有障碍探测产品成本高、智能化程度低、设计复杂、功能固化等问题，本发明提供一种基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统。

本发明的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，

它包括发射系统、接收系统、测温系统、单片机系统和虚拟仪器显示系统；

发射系统，用于产生40KHz的超声波，并向汽车障碍物发射；

接收系统，用于接收汽车障碍物反射的回波信号；

测温系统，用于测量环境温度；

单片机系统，用于根据测量的环境温度修正补偿发射系统发射超声波的速度并控制其发射，并记录发射系统发送超声波和接收系统接收回波信号的时间间隔，根据所述时间间隔计算与汽车障碍物的距离，并根据所述距离向汽车的电机驱动系统发送驱动信号，将所述距离发送给虚拟仪器显示系统；

虚拟仪器显示系统，用于通过串口通信与单片机交换数据，并将接收的距离信号进行显示。

本发明的有益效果在于，本发明所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，用了测温系统、单片机系统及其外围芯片，加入了温度补偿减小了误差，从而提高了测距精度，完成了硬件电路和软件的设计工作，利用串口通信实现单片机系统和虚拟仪器显示系统6之间的通信。本发明与现有障碍探测产品相比，具有成本低，智能化程度高，设计简单，功能多样化的优点。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统的原理示意图。

图2为具体实施方式二所述的发射系统的原理示意图；

图3为具体实施方式三所述的接收系统的原理示意图；

图4为具体实施方式四所述的温度传感器的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，它包括发射系统1、接收系统2、测温系统3、单片机系统4和虚拟仪器显示系统6；

发射系统1，用于产生40KHz的超声波，并向汽车障碍物发射；

接收系统2，用于接收汽车障碍物反射的回波信号；

测温系统3，用于测量环境温度；

单片机系统4，用于根据测量的环境温度修正补偿发射系统1发射超声波的速度并控制其发射，并记录发射系统1发送超声波和接收系统2接收回波信号的时间间隔，根据所述时间间隔计算与汽车障碍物的距离，并根据所述距离向汽车的电机驱动系统发送驱动信号，将所述距离发送给虚拟仪器显示系统6；

虚拟仪器显示系统6，用于通过串口通信与单片机交换数据，并将接收的距离信号进行显示。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统的进一步限定，发射系统1包括超声波发送器和第一放大整形电路；

单片机系统4发送的控制信号经第一放大整形电路放大整形后发送给超声波发送器。

本实施方式所述的发射系统1主要由555电路1a和双D触发器1b组成，如图2所示。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统的进一步限定，接收系统2包括超声波接收器和第二放大整形电路；

超声波接收器接收的回波信号发送给第二放大整形电路，经第二放大整形电路放大整形后发送给单片机系统4。

本实施方式的所述的接收系统2包括RC移相选频网络2a、级间耦合2b和信号放大电路2c，如图3所示。

所述的RC移相选频网络2a的作用是允许模拟输入信号中的高频部分的信号通过，而不允许低频部分的信号通过，即使低频部分的信号急剧衰减。级间耦合2b可以使两级放大器联系起来，提高放大倍数。但是，这种连接又会带来前后级之间的相互影响。我们希望耦合电路能顺利地通过交流信号，以便继续进行放大。同时又不要影响各级放大器巳设置好的工作点。阻容耦合电路能实现这种要求，它是最常用的交流电压放大电路。

有源滤波电路内部由两部分组成：由电阻和电容元件组成的RC网络以及由集成运放组成的放大器。两个部分的作用各不相同，RC网络的作用是实现滤波，而集成运放的作用是提高电路的电压放大倍数和带负载能力。

由于外界给电路带来一些不需要的低频信号的干扰，接受的超声波是高频信号，所以高频信号得保留，低频信号得滤除。各种有源滤波电路中的集成运放都起着放大器的作用，因此它们都必须工作在线性区，电路中都必须引入一个深负反馈。本设计的目的和用途决定其结构及其滤波电路的性质以及阶数等。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统的进一步限定，所述测温系统3采用温度传感器实现，所述温度传感器的型号为DS18B20。

本实施方式的所述的温度传感器与单片机的连接示意图，如图4所示。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统的进一步限定，所述单片机系统4采用芯片SST89E564RD实现。

实验验证：

一：障碍探测系统恢复到初始状态，电机未工作额情况下，用一个半径为1cm的圆球形物体作为目标物体，而且实验当中，目标物体的测试范围在两个超声波传感器连线的中垂线上面。盲区就是超声波传感器检测到物体的最近距离范围。

盲区的实验结果如表1所示，单位为cm。

表1盲区实验数据

实际距离	15.1	16.2	17.3	18.2	19.6	20.0	26.3	28.9	30.7	32.6
											测量距离	20	20	20	20	20	20	26	28	30	32

由实验分析，传感器测距的盲区为20厘米。

同样还是在两个传感器构成线段的中垂线上移动该目标物体，最远测量距离的实验结果如表2所示，单位为cm。

表2测量最远距离的实验数据

由实验分析，传感器测距的最远距离为200厘米。

本发明系统测量范围为20～200cm，仍有一些需改善的方面：

(1)由于探头限制，在高温、高压等恶劣环境下，测量误差大，可以根据实际情况更换更合适的探头。测量距离与发射功率直接相关，由于探头功率有限，只能在室内小范围测量，更换成大功率探头，测距范围将扩大。

(2)温度对声波速度的影响，所以要采用一定的温度补偿。

(3)超声波在传播过程中受空气热对流扰动以及尘埃吸收的影响，接收回波的幅值随传播距离的增加成指数规律衰减，使得远距离回波难以检测。同时还有其他误差源，比如电阻电容的热噪声，电路延迟引起的渡越时间检测误差。改进方法是改善被测表面条件和提高探头功率。

(4)直达波的影响。有一部分声波从发射探头直接传到接收探头，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。所以发射超声波后要延迟一段时间再开启闸门，允许单片机接受回波信号。

二：每个梯度对应散射角的实验

鉴于超声波传感器探头发射和接收的范围不是严格的喇叭状，本设计对其进行范围分割处理，把测量范围分为十个梯度，其对应的散射角测量如表3所示。

表3梯度范围与散射角的对应关系表

该实验影响测量的因素有：

(1)由于障碍物的材料不同，测得的结果不一样，本实验以一个直径为1cm的圆柱形的金属物为障碍物。

(2)由于人为的把测量范围分为十个梯度，梯度分割线当作是圆弧形的分割线，其实通过实验证明它们不是严格的圆弧线，但是为了简化处理当作是圆弧形。

三：障碍探测实验

在不同的温度下分别对有温度补偿的系统和无温度补偿的系统进行障碍探测实验，如表4和表5所示。目标物体是个细长的规则的塑料物体，假设其两端a点和b点的实际坐标为(x1,y1)和(x2,y2)，其中x1＝70.3cm，y1＝71cm，x2＝126.6cm，y2＝88.6cm，障碍物长度大小为58.9cm。

第一组：有温度补偿(单位：cm)

表4有温度补偿时候的障碍物测量值

温度(℃)	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
											测量值(x₁)	72	71	73	71	73	70	72	72	71	73
测量值(y₂)	70	71	70	73	73	72	70	73	73	72
											测量值(x₂)	125	127	126	125	128	126	127	128	128	127
测量值(y₂)	89	90	90	89	91	88	89	91	90	91
											障碍物大小	56	59	56	56	58	58	58	58	59	57

第二组：无温度补偿(单位：cm)

表5无温度补偿时候的障碍物测量值

温度(℃)	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
											测量值(x₁)	74	73	72	71	72	71	71	70	70	69
测量值(y₁)	74	74	73	73	73	72	72	71	71	71
											测量值(x₂)	129	129	129	128	128	127	127	127	127	125
测量值(y₂)	90	90	90	89	89	88	88	88	88	87
											障碍物大小	57	58	59	57	56	56	56	59	59	58

由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果温度变化较大且测距精度要求高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，根据障碍探测系统检测到目标物体所旋转角度，最终就可以探测到障碍，这就是障碍探测系统的机理。

超声波发射点到接收点的距离S为：

S＝vt

式中的v(m/s)为超声波在空气中的声速，t(s)为渡越时间。

声速v随环境温度的变化可以用下式表示，其中T的单位为℃。

v＝331.45×(1+T/273.16)^1/2

其泰勒级数展开式(仅保留到一次项)为：

v＝331.4+0.607T

因此，温度每变化1度，声波的速度变化0.6(mm/ms)。若渡越时间达到9ms(距离约为3m)，就会产生5mm的误差。温度变化两度时，则产生约1cm的误差。

本次实验对测量结果产生影响的因素有：

(1)每次探测障碍时，由于系统要旋转一定的角度，探头在转动过程中位置会有微小的变动，而且环境条件不同也会得到不同的结果。

(2)由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的误差源。发射探头发出的超声波并非直线传播，而是呈喇叭状扩散传播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反射回来的波也许是从障碍物上一点获得，也许是从障碍物上面另一点获得，测得的结果必然不相同。

(3)障碍物的选择材料和结构不同，测量结构差异很大。通过实验比较得知，空气与障碍物材料的声阻抗特性之比越小测量效果越好，同时障碍物的表面不能太光滑，否则超声波传感器很难检测到回波。

声阻抗特性是声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度ρ与声速C之积，记作Z＝ρC。声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。综合以上因素，本设计采用表面相对粗糙一些的铁质障碍物。

Claims

1.基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，其特征在于，它包括发射系统(1)、接收系统(2)、测温系统(3)、单片机系统(4)和虚拟仪器显示系统(6)；

发射系统(1)，用于产生40KHz的超声波，并向汽车障碍物发射；

接收系统(2)，用于接收汽车障碍物反射的回波信号；

测温系统(3)，用于测量环境温度；

单片机系统(4)，用于根据测量的环境温度修正补偿发射系统(1)发射超声波的速度并控制其发射，并记录发射系统(1)发送超声波和接收系统(2)接收回波信号的时间间隔，根据所述时间间隔计算与汽车障碍物的距离，并根据所述距离向汽车的电机驱动系统发送驱动信号，将所述距离发送给虚拟仪器显示系统(6)；

虚拟仪器显示系统(6)，用于通过串口通信与单片机交换数据，并将接收的距离信号进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，其特征在于，发射系统(1)包括超声波发送器和第一放大整形电路；

单片机系统(4)发送的控制信号经第一放大整形电路放大整形后发送给超声波发送器。

3.根据权利要求1所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，其特征在于，接收系统(2)包括超声波接收器和第二放大整形电路；

超声波接收器接收的回波信号发送给第二放大整形电路，经第二放大整形电路放大整形后发送给单片机系统(4)。

4.根据权利要求1所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，所述测温系统(3)采用温度传感器实现，所述温度传感器的型号为DS18B20。

5.根据权利要求1所述的基于超声波定位技术的汽车障碍探测系统，所述单片机系统(4)采用芯片SST89E564RD实现。