基于超聲波倒車雷達的研究

單新平，蔣云峰，劉宗健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 引言

近些年中國汽車行業飛速發展，從2010年乘用車銷量突破1000萬輛，到2017年銷量高達2421萬輛［1］。汽車銷量的大增，也帶動了相關的駕駛輔助電子產品迅猛發展，如泊車輔助系統——超聲波倒車雷達，從2013年約1200萬套的倒車雷達銷量，到2017年約為2100萬套。超聲波倒車雷達的誕生，為廣大的駕駛者在泊車時提供了聲音或圖像的提示，極大地提高了駕駛者泊車的安全性與時效性。目前，超聲波倒車雷達已成為各種乘用車出廠的標配，是很多駕駛者不可或缺的泊車伴侶。截止2017年底，中國機動車保有量3.1億輛，其中以個人名義登記的小型和微型載客汽車（私家車）達1.7億輛。汽車駕駛人超3.42億，但駕齡不滿一年的人數為3054萬［2］。因此，為了提高新駕駛者泊車的安全性，使用超聲波倒車雷達進行泊車輔助很有必要。

2 超聲波倒車雷達的系統組成

超聲波倒車雷達系統由1個主機、4個傳感器、1個內置蜂鳴器組成，如圖1所示。

圖1 系統連接圖

超聲波倒車雷達系統的各個部件安裝位置如圖2所示。

3 主機

主機安裝在駕駛臺下方，這樣內置蜂鳴器的聲音報警可以讓駕駛員清晰聽到。在汽車的擋位信號為倒車擋時，系統被激活，主機向各個傳感器分別發送發射與接收超聲波的命令，然后根據發射與接收超聲波的時間差來計算障礙物的距離。主機硬件框圖見圖3。

圖2 部件安裝位置圖

圖3 主機硬件框圖

主機的主要功能見表1。

表1 主機的主要功能

4 傳感器

4個傳感器安裝在后保險杠上，向車身后發射與接收超聲波信號。傳感器在接收到主機的發射命令后，探頭的MCU給予傳感器探芯以電子激勵，探芯的壓電陶瓷片在被激勵后，將電能轉換成機械能傳播出去，遇到障礙物后，超聲波反彈回傳感器的壓電陶瓷片，將機械能轉換成電能傳輸給主機。主機通過比較各個探頭探測到的距離信息，將最小值即最近距離作為有效信息 （1.5 m以內）。傳感器硬件框圖見圖4。

圖4 傳感器硬件框圖

4.1 匹配電路

在傳感器電路中，要使傳感器性能達到最佳，需要設計好探芯匹配電路和小信號放大電路，即運算放大電路。圖5為探頭的匹配電路，方框圖transducer代表探芯的等效電路。

以Murata探芯為例進行分析。選用Murata諧振頻率為55.5 kHz的探芯，Cp=1 500 pF，

電路中，變壓器選用3.18 mH的感量值，其計算式為：

根據已知的變壓器感量值即可計算出匹配電容Cadd的容值：

圖5 匹配電路

4.2 運算放大器電路

由于傳感器收到的超聲波信號約為0.1 mVpp，MCU無法進行采集和AD轉換，需要首先將微小的回波信號進行放大。圖6是基于微分電路的運放電路某一級的分析。

圖6 基本微分電路

基本微分電路僅是一原理性的微分電路，是不能付諸實用的。其原因為，微分電路本質上是一種高通濾波器，對于高出工作頻率以上的噪聲，有更大的增益，將無用的噪聲放大，故高頻噪聲干擾很嚴重。運算放大器本身在高頻時有滯后的附加相移，R2和C1組成的反饋系統，在高頻時會進一步產生滯后的相移，就會使整個系統不穩定和產生自激振蕩。為解決這個問題，在微分電容上串一個電阻R1。雖然R1能消除自激振蕩和抑制高頻噪聲的干擾，但是它會影響微分電路的運算精度。R1的值越大，引進運算誤差越大。電路中進一步增加了電容C2，這能使R1選取更小些，從而提高運算精度，并且它有相位超前特性，在R1較小的情況下仍能消除自激振蕩。

5 蜂鳴器

蜂鳴器會根據不同的距離信息，以不同頻率鳴叫來提示障礙物與車身后保險杠的距離。駕駛者通過不同頻率的聲音，來判斷障礙物距離。

雷達控制器內置蜂鳴器，選用某品牌直徑為12 mm的有源電磁式蜂鳴器，工作電壓范圍是8~15 V，頻率是2 700±200 Hz，音量：≥70 dB@10 cm。

表2為我司某款車型超聲波倒車雷達的報警方式。

表2 某款車型超聲波倒車雷達的報警方式

6 結束語

文中基于超聲波技術，通過發射出的超聲與遇到障礙物反射回的回波信號間的時間差，從而計算出障礙物與車輛距離［3］。在中國汽車行業迅猛發展的今天，越來越多的駕駛者為初學者，對倒車雷達的需求十分迫切。使用這一泊車輔助系統，能夠極大地提高泊車安全性與便捷性。