傳感器在車輛自動倒泊方面的應用

童啟明，張麗霞，潘福全，路軍

（青島理工大學 汽車與交通學院，山東 青島 266520）

傳感器在車輛自動倒泊方面的應用

童啟明，張麗霞，潘福全，路軍

（青島理工大學 汽車與交通學院，山東 青島 266520）

本文介紹了如何利用傳感器來實現車輛的自動倒泊，并結合車輛的自身條件，提出了傳感器的設計方法、舵機的原理以及系統控制算法，實現了車輛的自動倒泊。系統采用F330單片機和C8051F330單片機為核心，并使用超聲波傳感器采集道路信息，通過舵機來實現車輛的行駛與制動，使車輛自動倒泊智能，安全。

傳感器；智能車；車聯網

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

隨著我國經濟的快速發展，私家車越來越普及，駕駛者如何讓車輛自動入庫停車，這一問題越來越引起眾人的關注。車輛的自動倒泊技術，解決了復雜的腦力問題，且保證駕駛員的安全。因此，設計一種能夠自動倒泊的系統有著一定的實用價值。

1、總體布局

系統板塊主要由超聲波傳感器、單片機，液晶顯示屏，舵機、直流電機等組成。

車身是運動的，在采集數據上有一定難度，可采用超聲波傳感器采集數據，計算出傳感器與障礙物間距離。

采用雙CPU協調控制。單片機1通過超聲波接收裝置接受采集到的信息，對信息進行分析和處理，計算出車尾為到障礙物之間的距離，將結果顯示在駕駛室屏幕上。同時，該數據再輸入單片機2中的中央處理單元，并由驅動模塊對舵機舵機控制模塊（伺服電機）或電機控制模塊（直流電機）發出相應的命令，實現自動倒泊。

2、設計理念

2.1 電源設計

由于采集節點上的超聲波傳感器和單片機都需要 5V電源，然而基準電壓芯片等需要 3.3V 電源，外接電源為24V，所以必須經過電壓轉換，可采用 LM2576S-5V 和ASM1117-3.3V 的穩壓芯片，轉換電路圖如下圖所示。

得到3.3V和5V的電壓后，分別連接上一濾波器，傳給單片機、傳感器等。

2.2 信息采集設計

信息采集系統常采用CCD攝像頭、光電傳感器、超聲波等方法[1]，本文采用的是超聲波傳感系統。

單片機1 采用的是C8051F330單片機，該單片機有I/O口、引腳分別是17個、20個。

超聲波傳感器的中央處理器采用單片機1，測距方法為：單片機1每隔一段時間向超聲波換能器發出一系列激勵脈沖，其頻率為40khz。超聲波脈沖驅動電路控制超聲波換能器，由發送探頭發射超聲波，同時開始計時，一旦收到的反射回來的超聲波信號就立刻停止，并利用超聲波往返時間，計算車輛與障礙物間的距離[2]。

超聲波發送電路：單片機1和超聲波換能器間增加功率放大電路，同時對激發信號進行升壓，如圖5所示。

超聲波接收電路：對信號進行處理，根據實際需要放大信號的強度，在將放大后的信號經過濾波器進行濾波，最后采用電平比較法消去噪聲。并將比較器的負輸入端引入一門限壓電，這樣比較器輸入的結果便可以正確顯示是否接收到回波。如圖6所示。

測距輸出：單片機1的輸出是電流模式，而測距結果是模擬電壓的形式表示的。所以，需要對輸出結構進行轉換。如圖7所示。

2.3 信息處理設計

處理節點主要由單片機1、單片機2、舵機、電源以及外殼等組成。

單片機1采用F330單片機。單片機1，采用其 PA 口控制 LCM12864 顯示處理后的距離。

單片機2采用微處理器MC9S12DG128，并將其作為核心模塊，其組成部分是PWM硬件控制模塊、驅動模塊等[3]。

超聲波換能器發出超聲波信號，超聲波接收裝置采集信號，并輸入單片機1，計算出傳感器到障礙物之間的距離，將結果顯示在駕駛室屏幕上[]。單片機1處理得到的數據，同時輸出給單片機2中的中央控制單元（控制模塊），控制模塊不斷的對數據進行檢查，一旦檢查到不同的命令，驅動模塊就從中央控制單元獲得相應命令，驅動模塊從而會發出兩路PWM波，分別對車輛的直流電機（驅動）和轉向舵機（轉向）進行控制，完成車輛的轉向、前進、制動的功能。

2.4 舵機的原理

2.4.1 舵臂分析

車輛的轉向是舵機通過多級連接臂/輪對連桿來驅動輪胎來實現的，如圖9所示。加快車輛的轉向的靈敏度，一般采用的方法有：增加舵機的額定功率，合理布置舵機的安裝位置以及延長多級連接臂的長度等方法。因為舵機的轉動速度和功率有上限，故舵機連接臂的延長是提高車輛轉向能的有效手段[4]。

2.4.2 舵臂長度計算

為了車輛的轉向更為輕便、快捷、精確，轉臂的延長是至關重要的，但為了保證車輛在所有工況下都能提供足夠的轉向力以便更好的控制轉向，所以需要滿足一個力學條件∶舵機輸出力＞ 前輪壓力產生的摩擦力。

假定前輪承重為Fmg，加速過程中產生的動載力為Fma，輪胎和地面的摩擦力因數為μ，舵機輸出扭矩為T,則前輪產生的總摩擦力為

舵機滿足條件的臂長為L=T/F

2.5 倒車時方向控制原理

傳感器2在汽車尾部的中軸線上，傳感器3和傳感器1關于中軸線對稱，分別分布左右邊。

設定D為車輛尾部到障礙物之間的安全距離，d為車輛尾部到障礙物之間真實距離，d1為右側傳感器1到障礙物之間的真實距離，d2為左側傳感器2到障礙物之間的真實距離。傳感器1與2,2與3的距離均為x。

2.5.1 距離d的計算

2.5.2 方向控制

利用d、d1、 d2和D之間的比較，作為相應的控制，具體控制方法如下：

當d ≤D時，車輛制動。

當d＞D時，d1= d2，車輛沿直線后退 。

d1＞d2，車輛向右轉向。

d1＜d2，車輛向左轉向。

3、系統控制算法設計

3.1 數據的接收階段

超聲波傳感器是通過發出和收到信號的時間差，來計算車輛離障礙物的距離。其距離為：d=0.5(c×t)

d為車尾部與障礙物間的最小距離；c為聲音在空氣中的傳播速度；t聲波的往返時間差

3.2 數據的處理階段

設定D為車尾部到障礙物之間的安全距離，d1為右側傳感器1到障礙物之間的距離，d2為左側傳感器2到障礙物之間的距離。

4、結語

本文提出了一種車輛自動倒泊的設計方案，采用超聲波傳感器作為數據的采集工具，結合單片機和舵機等完成自動倒泊。合理的設計了運行方案和算法設計，使車輛的自動倒泊成為了現實，實現了倒車入庫的智能化、高效化，并有效的保證了駕駛者的安全。

[1] 王 玲,孫 波.紅外光電傳感器自動尋跡智能車的設計與實現.沈陽理工大學學報，2010,29(2)∶57-60.

[2] 董永貴.傳感技術與系統[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[3] MC9S12DG128 Device User Guide.Freescale Semiconductor Inc, 2005.

[4] 一種基于光電傳感器的路徑識別智能車.科學技術與工程.2011, 1671-1815（2011）-0039-03.

Sensors in the vehicle parked automatic reverse application areas

Tong Qiming, Zhang Lixia, Pan Fuquan, LuJun
（Automotive and Transportation College of Qingdao University, Shandong Qingdao 266520）

This article describes how to use the sensors to automatically pour parked vehicles, combined with the vehicle's own conditions, proposed the design method of the sensor, as well as the principle of the servo system control algorithm to achieve the automatic reverse parked vehicles. The system uses F330 C8051F330 microcontroller and microcontroller core, using an ultrasonic sensor to collect the road information, through steering and braking to achieve with the vehicle, the vehicle parked automatic reverse smart and safe.

Sensor；Smart Car；Car networking

U463.6

A

1671-7988(2015)03--

啟明，就讀于青島理工大學汽車與交通學院。

山東省高等學校科技計劃項目資助(J12LB08)；山東省自然科學基金資助(ZR2012EEL09)。