CN113552576A - 一种基于超声波测距的车辆避障方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波测距的车辆避障方法及装置，根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，结合车辆前方障碍的距离，计算安全时间阈值；根据超声波测距获取车辆与所述障碍之间的距离变化，并根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值；比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值；当车辆到达所述障碍的时间值小于安全时间阈值时，对所述车辆进行刹车干预。本发明实施例将超声波测距与北斗定位测试相结合，利用了北斗系统高精度的定位效果，提升了车辆的避障能力。

Description

一种基于超声波测距的车辆避障方法及装置

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，特别涉及一种基于超声波测距的车辆避障方法及装置。

背景技术

随着人工智能技术的兴起，以自动驾驶车辆为研究对象的运动路径规划问题越来越受到重视。而避障路径规划是自动驾驶车辆的关键部分，对自动驾驶车辆的研究具有重大意义。在自动驾驶汽车行驶过程中，准确地避开障碍物是智能车辆的基本要求。一个好的避障路径规划算法可以安全实时地避开障碍物，且具有较高的乘坐舒适性，从而提高出行效率。

汽车避障技术主要是利用先进的传感器技术来增强汽车对行驶环境的感知能力，将感知系统获取的车速、位置等实时信息反馈给系统，同时根据路况与车流的综合信息判断和分析潜在的安全隐患，并在紧急情况下自动采取报警提示、制动或转向等措施协助和控制汽车主动避开障碍，保证车辆安全、高效和稳定地行驶。

超声波测距是一种常用的车辆避障探测方案。超声波是一种具有大功率、高频率、强穿透力的声波，目前已被广泛应用在工业和医学上。超声波传感器具有结构简单、造价低廉的特点，超声波传感器在交通安全中的避障中的应用显示除了很多的优势。

目前存在三种常用的超声波测距方法：相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法。其中，相位检测法通过在发射器发射信号的瞬时计时并开始对接收器进行信号采样，计算发射信号与采样值的互相关函数，函数峰值位置的采样值即为回波信号；声波幅值检测法基于超声波在一般条件下传播，能量在过程中不断衰减的性质，距离越远时，信号损失越大，接受信号也就越弱。通过检测接收信号的幅值，与原信号幅值相比较，基于衰减函数计算传播时间；渡越时间法的原理是在发射器发射信号的瞬时触发计时器，当接收器接收到信号时计时停止，两者之差为超声波渡越时间。利用公式s＝tv/2可以计算传感器与反射点之间的距离。

现有技术中，基于超声波测距的车辆避障方案存在着测距时间长、精度较低的问题，无法很好的满足车辆避障的实际需求，亟需要一种更为高效快速测距及定位的方案，以满足越来越高精度的车辆避障需求。

发明内容

本发明提供一种基于超声波测距的车辆避障方法及装置，能够更为精准快速的实现车辆避障运算预测，满足用户需求。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于超声波测距的车辆避障方法，包括以下步骤：

根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，结合车辆前方障碍的距离，计算安全时间阈值；

根据超声波测距获取车辆与所述障碍之间的距离变化，并根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值；

比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值；当车辆到达所述障碍的时间值小于安全时间阈值时，对所述车辆进行刹车干预。

所述根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，包括：

北斗接收机接收到的信号频率表示为：

其中，f_Ri为北斗接收机接收到的第i颗卫星的频率，f_Ti为第i颗卫星的发射频率，v_i＝(v_xi，v_yi，v_zi)为北斗卫星的速度矢量，u＝(u_x，u_y，u_z)为北斗接收机的速度矢量，a_i＝(a_xi，a_yi，a_zi)为北斗接收机与卫星连线的单位矢量，方向指向卫星；

北斗接收机接收到的第i颗卫星的频率的测量值为f_i，则：

f_Ri＝f_i+t_u；

其中，t_u为接收机始终与北斗系统的时间漂移；多普勒频移表示为：

Δf_d＝f_i-f_Ti；

则车辆的矢量移动距离为：

车辆瞬时速度值为：

其中n≥4为卫星的个数，t＝0.1s为测速的时间长度。

所述计算安全时间阈值，包括：

计算车辆的制动距离：

其中，d_brake为制动距离，t_react≤1s为驾驶员反应时间，v为车辆行驶速度，a为车辆的刹车加速度，由车辆本身决定；

车辆的安全距离d_safe为：

d_safe≥1.2d_brake；

得到安全时间阈值：

其中，v_sound＝340m/s，为温度在15°时空气中声音传播的速度。

所述根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值，包括：

确定一个固定长度为l＝2n+1的观察窗口；在某一时刻，窗口内的信号样本为：

x(i-n)，...，x(i)，...，x(i+N)；

其中，x(i)是位于窗口中心的样本值；

对所述l个信号样本经过按照从小到大的排序后，取在位置i处的样本作为窗口的输出值；

车辆到达所述障碍的时间值t和车辆与障碍物之间的距离关系如下：

其中，d为障碍物距离车辆的直线距离。

所述方法还包括：

4个超声波测距模块的单片机向并联电路模块发送一个大于10us的触发脉冲，以驱动发射头产生8个40kHz准确的方波驱动电压，并等待超声波模块向单片机返回接收信号；

如果所述单片机在0.2s的周期内成功接收到了信号，则所述单片机使用定时器测量接收信号的持续时间即为车辆到达所述障碍的时间值t。

所述比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值，还包括：

通过比较车辆到达所述障碍的时间值t与阈值的t_threshold大小进行安全判断，若t＜t_threshold则所述障碍距离车辆距离太近，发送脉冲信号提醒车辆的驾驶员并进行刹车干预；

若所述障碍距离车辆太远，致使超声波回波信号较弱，超声波接收头无法有效接收致使无法正确测量定时器的持续时间，则以0作为结果，表示数据无效。

所述方法还包括：

设定主控制模块的循环工作周期为0.2s；

在每一个所述循环工作周期中，主控制模块向超声波并联测距模块下达指令，超声波并联测距模块开始工作；同时向北斗定位测速模块发送查询指令，查询0.1s内车辆的位置信息。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于超声波测距的车辆避障装置，所述装置包括主控制模块、超声波并联测距模块及北斗定位测速模块，其中：

所述主控制模块，用于设定循环工作周期为0.2s；并在每个循环工作周期内，向北斗定位测速模块发送查询指令以进行定位和测速；根据北斗定位测距模块反馈的速度进行安全时间t_threshold阈值计算；向超声波并联测距模块发送指令以进行车辆到达所述障碍的时间值测量；比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值并根据比较结果进行刹车干预；

所述超声波并联测距模块，用于根据所述主控制模块的指令进行车辆到达所述障碍的时间值测量；

所述北斗定位测速模块，用于根据所述主控制模块的查询指令进行车辆的定位和测速。

所述装置还包括用户交互模块，其中，

所述用户交互模块，用于根据所述主控制模块的信号进行驾驶员提醒或刹车干预。

所述装置还包括电源模块，其中，

所述电源模块，用于为所述装置提供电源。

采用本发明的技术方案，提出了一种基于超声波测距的车辆避障方案，根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，结合车辆前方障碍的距离，计算安全时间阈值；根据超声波测距获取车辆与所述障碍之间的距离变化，并根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值；比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值；当车辆到达所述障碍的时间值小于安全时间阈值时，对所述车辆进行刹车干预。本发明实施例将超声波测距与北斗定位测试相结合，利用了北斗系统高精度的定位效果，提升了车辆的避障能力。

本发明方案成本低，便于大规模使用，在复杂环境中使用还可大规模增加并联超声波测距模块；结构简单，便于维护，模块化清晰明了，有助于后期模块更换；功能可软件自定义，易于升级；适用范围广，不仅适用于小型机动车辆，也适用于大型车辆，电动车以及摩托车等。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中基于超声波测距的车辆避障原理流程图；

图2为本发明实施例中车辆避障系统的硬件设计总体框图；

图3为本发明实施例中导航测速定位功能流程图；

图4为本发明实施例中测距软件原理图；

图5为本发明实施例中超声波测距功能流程图；

图6为本发明实施例中的中值滤波法流程图；

图7为本发明实施例中基于超声波测距的车辆避障装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明使用的是渡越时间法。超声波传播模型的衰减主要由以下三个类别：

散射衰减。由于超声波发射器发射的并非标准的平面波，存在一定的波束角，当声波传播时，原能量由于波阵面面积的增大而分散，从而使得单位面积上的能量逐渐减小。若将发射头理想化为点声源，则其产生的声强散射的衰减可以由如下公式推出：

L₁＝L_W-10 lg S

其中，I＝P/ρc为声强，指的是单位时间内垂直通过单位面积的声能量，单位为w/m²。I₀＝10^-12w/m²，为基准声强。W＝IS代表声功率，物理意义为声源在单位时间为辐射的总能量。W₀＝10^-12W，为基准声功率。

在实际计算中，常利用声强级、声功率级等来进行表征，需将以上参数取以10为底的对数再乘20。L₁为声强级，L_W为声功率级。由于声压级L_p与声强级之间为线性关系，故可以得到：

因而可以得到当声波波阵面面积由S₁变化为S₂时，由散射引起的声压衰减可表示为：

反射声功率衰减。反射型衰减主要发生在从声波接触到障碍物到声波从障碍物之上返回这一过程中，即发生在障碍物的反射面上，与障碍物自身相关。作为机械波的一种，声波从一个介质到另一个介质之中时满足Snell定律。设超声波在两个介质中的传播速度分别为C₁和C₂，两介质的密度分别为ρ₁和ρ₂(假设介质均匀)。那么超声波从介质1入射到介质2时，两者的交界处会发生折射和散射。令超声波入射声波、反射声波与折射声波的声压分别为p_i、p_r和p_t。入射角为i，反射角为r，折射角为t。反射系数r_p指的是反射声压与入射声压的比值，其大小与介质密度、介质中声速的大小、超声波入射角与反射角相关，可以通过下式计算：

假设超声波垂直入射或者以一极小的入射角射向反射面，则有：

θ_i＝θ_r≈θ_t≈0

则反射系数可以写为：

一般情况下，固液体的密度大于空气密度，且超声波在固液体中的传播速度远大于在空气中的传播速度，即对于声阻抗ρc，空气中该值远小于固液体。因而对于反射系数r_p，可以将其近似为1。即声波在反射界面反射时，将不会发生声压的衰减。但是另一方面，由于声波反射时存在“非全部波阵面面积反射”的情况，当超声波在接触到障碍物并返回的过程中，声波波阵面面积由S₂变化为S₃，这是会存在由非全部反射引起的声波功率衰减，可表示为：

大气吸收衰减。超声波在整个传播路径上都会存在大气吸收衰减。当声波在大气传播了距离s后，由原初始声压p_i衰减至p_t，在自由空间中可以用下述公式描述：

p_t＝p_i exp(-αs/10lg(e²))

其中，α为声波吸收衰减系数，实际计算时常用声压级来表征声波强度，频率为f的纯音从原始位置传播到s处时，由大气吸收引起的声压衰减量δL_t(f)为：

α主要与氧驰豫频率f_rO和氮驰豫频率f_rN有关，这两个参数可以由下式确定：

那么有：

其中h为水蒸气克分子浓度，p_r＝101.325kPa为基准环境大气压，p_α为环境大气压。h常用如下公式计算：

其中p_sat为饱和蒸汽压，其数值大小与绝对温度T有关，T₀₁＝273.16K为水的三相点等温温度，h_r为空气相对湿度。

综上所述，可以计算出超声波传播过程中的总衰减为：

包括波阵面面积由S₁变化到S₂时，由散射引起的声压衰减

波阵面面积由S₂变化到S₃时，由非全部反射引起的声功率衰减

回波过程中波阵面面积由S₃变化到Sx时，由散射引起的声压衰减

以及从发射到接收整个过程中大气吸收的衰减α(l₁+l₂+l₄)。

基于构建的理想传播模型，进一步假设声波波阵面为圆形，并且始终保持原始发射时的波束角，那么有：

其中，ΔL_p主要与发射头的声压级与接收头的灵敏度有关，L₄为车辆制动距离，通常对于一辆确定的车辆为固定值，L₁也与发射头的规格有关，那么在上述系数均已知的情况下，可以通过下式计算出L₃，从而计算出最小探测面积：

S₃＝π(L₃tanθ)²

其中，θ为波束角的一半。

在测速方面使用多普勒测速法。当接收机与卫星存在相对运动时，接收机所测得的频率与卫星所发射的信号载波频率存在偏差，两者的差值称为多普勒频移。多普勒频移的大小正比于接收机在卫星移动方向上的速度分量，从而测得车辆速度。

本发明将超声波测距与北斗定位测试相结合，利用了北斗系统高精度的定位效果，提升了车辆的避障能力。本发明一个实施例主要由主控制模块、用户交互模块、超声波并联测距模块、北斗定位测速模块和电源模块组成。其中，主控制模块为本系统的核心，用户交互模块起到人机交互的功能，超声波并联测距模块是本系统中获取障碍信息的传感器，北斗定位测速模块提供车辆的高精度位置信息，电源模块为本系统其它各个模块进行供电。

本发明实施例所设计的基于超声波测距的车辆避障系统的主要功能有：障碍物的有效探测、障碍距离的有效计算、车辆的速度测定、告警提醒。

所述的主控制模块采用搭载ATMega328p芯片的Arduino Uno开发板，用于在适当时间驱动超声波发射头发射信号，手机超声波回波信号信息，接收北斗模块定位测速信息，并对获得的数据进行处理，进而分不同情况驱动用户交互模块提醒车辆驾驶者减速或者避开障碍物，从而实现有针对性地避障告警，进而达到安全避障的功能。

所述的用户交互模块利用蜂鸣报警器起到人机交互、提醒车辆驾驶着、反馈障碍物信息干预刹车的作用。

所述的超声波并联测距模块利用超声波的叠加性，即在声波相遇的区域，每一点的振动为各列波单独存在时在该位置引起的振动的合成。故可使用多发单收的模式，即采用多个超声波发射头，控制各个发射头的位置及其发射超声波的时间间隔，使得发射的超声波信号同相叠加，以达到增加发射总功率的目的。本发明实施例的超声波并联测距模块采用80C51单片机进行控制，共设计4个相同的超声波测距模块。

所述的北斗定位测速模块采用了ATK-S1218-BD双模定位模块，利用多普勒频移的信息来进行定位测速，其高精度定位模块与高精度移动天线为本系统提供了高精度、高灵敏度和低功耗的优势，其数字更新率最大为20Hz。

所述的电源模块为220V交流输入，5V直流输出，最大支持功率输出为25W，为主控制模块、超声波发射接收模块、北斗定位测速模块和用户交互模块进行供电。

图1为本发明实施例中基于超声波测距的车辆避障流程图。如图1所示，该基于超声波测距的车辆避障流程包括以下步骤：

步骤101、根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，结合车辆前方障碍的距离，计算安全时间阈值。

本发明实施例中，可以基于一个主要由主控制模块、用户交互模块、超声波并联测距模块、北斗定位测速模块和电源模块组成的系统。该系统结构框架如图2所示，其中，可以设定主控制模块的循环工作周期为0.2s。在每一个工作周期中，主控制模块向超声波并联测距模块下达指令，超声波并联测距模块开始工作，同时向北斗定位测速模块发送查询指令，查询0.1s内车辆的位置信息。

北斗定位测速模块收到主控制模块发来的查询指令时，开始进行定位和测速，如图3所示，为本发明实施例的导航测速定位功能流程图，具体方法如下：

北斗定位测速模块最大数字更新频率为20Hz，即0.05s可更新一次位置信息，设接收机接收到的信号频率可以表示为：

其中，f_Ri为接收机接收到的第i颗卫星的频率，f_Ti为第i颗卫星的发射频率，v_i＝(v_xi，v_yi，v_zi)指卫星的速度矢量，u＝(u_x，u_y，u_z)指接收机的速度矢量，a_i＝(a_xi，a_yi，a_zi)指接收机与卫星连线的单位矢量，方向指向卫星。

接收机接收到的第i颗卫星的频率的测量值为f_i，但该测量值与f_Ri并不相同，有如下关系：

f_Ri＝f_i+t_u

其中t_u为接收机始终与北斗系统的时间漂移，故多普勒频移可以表示为：

Δf_d＝f_i-f_Ti

则车辆的矢量移动距离为：

那么可得车辆在北斗定位测速模块收到主控制模块的查询指令时的瞬时速度值为：

其中n≥4为卫星的个数，t＝0.1s为测速的时间长度。

车辆的移动方向为各个卫星测的移动距离的矢量和方向。

主控制模块根据北斗定位测距模块反馈的速度进行安全时间t_threshold阈值计算。如图4所示，为本发明的测距软件原理图，具体步骤如下：

首先计算车辆的制动距离，在检测到障碍并进行刹车为系统控制，虽不经过人员操作，但为了安全仍然需要考虑人员的反应时间，则由下述公式计算：

其中，d_brake为制动距离，t_react≤1s为驾驶员反应时间，为了安全起见通常取t_react＝1s，v为第二步计算出来的车辆行驶速度，a为车辆的刹车加速度，由车辆本身决定。

通常，考虑到设备传输以及噪声等影响因素，车辆的安全距离d_safe设为：

d_safe≥1.2d_brake

进一步得到安全时间阈值：

其中v_sound＝340m/s为温度在15°时空气中声音传播的速度。

步骤102、根据超声波测距获取车辆与所述障碍之间的距离变化，并根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值。

本发明实施例中，超声波并联测距模块接收到主控制模块发来的指令后开始工作。如图5所示，为本发明的超声波测距功能流程图，具体步骤如下：

控制4个超声波测距模块的单片机向并联电路模块发送一个大于10us的触发脉冲以驱动发射头产生8个40kHz准确的方波驱动电压，并等待超声波模块向单片机返回接收信号。如果单片机在0.2s的周期内成功接收到了信号，单片机将使用定时器测量接收信号(高电平)的持续时间t。为了减少噪声的影响，本发明采用中值滤波法减弱噪声的影响，如图6所示，为本发明的中值滤波法流程图，方法如下：

首先确定一个固定长度为l＝2n+1的观察窗口。在某一时刻，窗口内的信号样本为：

x(i-n)，...，x(i)，...，x(i+N)

其中，x(i)是位于窗口中心的样本值。

对这l个信号样本经过按照从小到大的排序后，取在位置i处的样本作为窗口的输出值即可。

t和车辆与障碍物之间的距离关系如下：

其中d为障碍物距离车辆的直线距离。

步骤103、比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值；当车辆到达所述障碍的时间值小于安全时间阈值时，对所述车辆进行刹车干预。

本发明实施例中，通过比较t与阈值的t_threshold大小进行安全判断，若t＜t_threshold则说明目标距离车辆距离太近，则超声波并联测距模块向人机交互模块发送脉冲信号，提醒驾驶员并进行刹车干预。如果目标障碍物距离车辆太远，致使超声波回波信号较弱，超声波接收头无法有效接收致使单片机无法正确测量定时器的持续时间，则以0作为结果回传给主控制模块，表示数据无效。

为了实现上述流程，本发明技术方案还提供基于超声波测距的车辆避障装置，如图7所示，该基于超声波测距的车辆避障装置包括主控制模块21、超声波并联测距模块22及北斗定位测速模块23，其中：

所述主控制模块21，用于设定循环工作周期为0.2s；并在每个循环工作周期内，向北斗定位测速模块23发送查询指令以进行定位和测速；根据北斗定位测距模块23反馈的速度进行安全时间t_threshold阈值计算；向超声波并联测距模块22发送指令以进行车辆到达所述障碍的时间值测量；比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值并根据比较结果进行刹车干预；

所述超声波并联测距模块22，用于根据所述主控制模块21的指令进行车辆到达所述障碍的时间值测量；

所述北斗定位测速模块23，用于根据所述主控制模块21的查询指令进行车辆的定位和测速。

所述装置还包括用户交互模块24，其中，

所述用户交互模块24，用于根据所述主控制模块21的信号进行驾驶员提醒或刹车干预。

所述装置还包括电源模块25，其中，

所述电源模块25，用于为所述装置提供电源。

综上所述，本发明的技术方案，提出了一种基于超声波测距的车辆避障方案，根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，结合车辆前方障碍的距离，计算安全时间阈值；根据超声波测距获取车辆与所述障碍之间的距离变化，并根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值；比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值；当车辆到达所述障碍的时间值小于安全时间阈值时，对所述车辆进行刹车干预。本发明实施例将超声波测距与北斗定位测试相结合，利用了北斗系统高精度的定位效果，提升了车辆的避障能力。

本发明方案成本低，便于大规模使用，在复杂环境中使用还可大规模增加并联超声波测距模块；结构简单，便于维护，模块化清晰明了，有助于后期模块更换；功能可软件自定义，易于升级；适用范围广，不仅适用于小型机动车辆，也适用于大型车辆，电动车以及摩托车等。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，结合车辆前方障碍的距离，计算安全时间阈值；

根据超声波测距获取车辆与所述障碍之间的距离变化，并根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值；

比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值；当车辆到达所述障碍的时间值小于安全时间阈值时，对所述车辆进行刹车干预。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，所述根据北斗定位系统进行车辆的定位并测速，包括：

北斗接收机接收到的信号频率表示为：

其中，f_Ri为北斗接收机接收到的第i颗卫星的频率，f_Ti为第i颗卫星的发射频率，v_i＝(v_xi，v_yi，v_zi)为北斗卫星的速度矢量，u＝(u_x，u_y，u_z)为北斗接收机的速度矢量，a_i＝(a_xi，a_yi，a_zi)为北斗接收机与卫星连线的单位矢量，方向指向卫星；

北斗接收机接收到的第i颗卫星的频率的测量值为f_i，则：

f_Ri＝f_i+t_u；

其中，t_u为接收机始终与北斗系统的时间漂移；多普勒频移表示为：

Δf_d＝f_i-f_Ti；

则车辆的矢量移动距离为：

车辆瞬时速度值为：

其中n≥4为卫星的个数，t＝0.1s为测速的时间长度。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，所述计算安全时间阈值，包括：

计算车辆的制动距离：

其中，d_brake为制动距离，t_react≤1s为驾驶员反应时间，v为车辆行驶速度，a为车辆的刹车加速度，由车辆本身决定；

车辆的安全距离d_safe为：

d_safe≥1.2d_brake；

得到安全时间阈值：

其中，v_sound＝340m/s，为温度在15^c时空气中声音传播的速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，所述根据所述距离变化获取车辆到达所述障碍的时间值，包括：

确定一个固定长度为l＝2n+1的观察窗口；在某一时刻，窗口内的信号样本为：

x(i-n)，...，x(i)，...，x(i+N)；

其中，x(i)是位于窗口中心的样本值；

对所述l个信号样本经过按照从小到大的排序后，取在位置i处的样本作为窗口的输出值；

车辆到达所述障碍的时间值t和车辆与障碍物之间的距离关系如下：

其中，d为障碍物距离车辆的直线距离。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，所述方法还包括：

4个超声波测距模块的单片机向并联电路模块发送一个大于10us的触发脉冲，以驱动发射头产生8个40kHz准确的方波驱动电压，并等待超声波模块向单片机返回接收信号；

如果所述单片机在0.2s的周期内成功接收到了信号，则所述单片机使用定时器测量接收信号的持续时间即为车辆到达所述障碍的时间值t。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，所述比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值，还包括：

通过比较车辆到达所述障碍的时间值t与阈值的t_threshold大小进行安全判断，若t＜t_threshold则所述障碍距离车辆距离太近，发送脉冲信号提醒车辆的驾驶员并进行刹车干预；

若所述障碍距离车辆太远，致使超声波回波信号较弱，超声波接收头无法有效接收致使无法正确测量定时器的持续时间，则以0作为结果，表示数据无效。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距的车辆避障方法，其特征在于，所述方法还包括：

设定主控制模块的循环工作周期为0.2s；

在每一个所述循环工作周期中，主控制模块向超声波并联测距模块下达指令，超声波并联测距模块开始工作；同时向北斗定位测速模块发送查询指令，查询0.1s内车辆的位置信息。

8.一种基于超声波测距的车辆避障装置，其特征在于，所述装置包括主控制模块、超声波并联测距模块及北斗定位测速模块，其中：

所述主控制模块，用于设定循环工作周期为0.2s；并在每个循环工作周期内，向北斗定位测速模块发送查询指令以进行定位和测速；根据北斗定位测距模块反馈的速度进行安全时间t_threshold阈值计算；向超声波并联测距模块发送指令以进行车辆到达所述障碍的时间值测量；比较所述车辆到达所述障碍的时间值与安全时间阈值并根据比较结果进行刹车干预；

所述超声波并联测距模块，用于根据所述主控制模块的指令进行车辆到达所述障碍的时间值测量；

所述北斗定位测速模块，用于根据所述主控制模块的查询指令进行车辆的定位和测速。

9.根据权利要求8所述的一种基于超声波测距的车辆避障装置，其特征在于，所述装置还包括用户交互模块，其中，

所述用户交互模块，用于根据所述主控制模块的信号进行驾驶员提醒或刹车干预。

10.根据权利要求8所述的一种基于超声波测距的车辆避障装置，其特征在于，所述装置还包括电源模块，其中，

所述电源模块，用于为所述装置提供电源。

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