多方位超聲波倒車防撞系統設計

潘康福， 周西峰， 郭前崗

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

目前由于輔助倒車雷達設備普遍比較昂貴，且只能探測水平方向，許多大貨車等未裝倒車系統[1,2]。為此，本文設計了一種低成本、性能好的超聲倒車輔助系統。系統包含8個超聲探頭，除了可以像傳統超聲雷達檢測水平方向障礙物之外，還可以探測地面是否有凸起或者溝壑以及車后上方是否有障礙物。若有障礙物，通過顯示屏實時顯示距障礙物的距離并顯示障礙物類型。一旦距離障礙物小于設定的距離，報警系統報警提示。該系統成本低，可以安裝在大貨車等車型上，提高倒車安全。

1 系統整體設計

系統主要由控制單元、超聲波探測模塊組、溫度補償模塊、電源模塊、數據設置模塊、報警模塊、顯示模塊等組成。其中超聲波模塊組共有8個探頭，分成3組，分別用于探測水平方向、地面以及斜向上方的障礙物。如圖1所示。

圖1 系統總體設計

工作過程中當汽車掛倒擋時，系統開啟。控制單元控制8個超聲探頭輪流發射超聲波，超聲波遇到障礙物反射并被接收。根據超聲波在空氣中的傳輸時間計算出超聲探頭與障礙物的距離。并將計算出的數值通過LCD1602顯示屏顯示，控制單元比較所測距離與設定的安全距離，然后命令報警模塊發出相應的報警提示。鑒于超聲波傳播速度受溫度變化影響較大，系統加入了溫度補償模塊以校正聲速。

2 探測原理

系統探測的原理示意如圖2所示。將8個超聲探頭分為3組，分別用于探測地面、空中及水平方向障礙物。探頭朝向如圖2所示。

圖2 系統探測原理

探測地面障礙物的探頭距地面高度為h1，則正常無障礙物情況下探頭到地面的距離H2為H2=h1/sin 45°。

將地面安全閾值設置為15 cm。當測得的距離大于(H2+15)cm時，判定路面有凹陷；當值小于(H2-15)cm時，判斷地面有凸起障礙。

已知車體高度為H，斜向上探頭距離斜向下探頭的豎直距離為h0。則根據三角關系可以得到斜向上方向探頭有障礙的臨界距離H1=(H-h1-h0)/cos 45°。

當所測距離小于H1時，表示車的后上方有障礙物，提示司機小心。鑒于車型不同，探頭安裝位置亦不同。其中的H，h1，h0應該根據實際情況通過數據設置模塊進行設置。

3 硬件設計

3.1 超聲波測距模塊設計

為了精簡電路，設計直接采用了集成的超聲波測距模塊HC—SR04，模塊可提供2～400 cm的距離測量，測距精度可達3 mm。該模塊共有4個引腳，控制單元只要給TRIG接口輸入時間達到10 μs的高電平信號，模塊內部就會自動產生8個40 kHz的脈沖。在此之后，超聲波發射器發出超聲波信號，同時回響輸出信號變為高電平。當發出的超聲波信號遇到障礙物反射回來被超聲模塊接收到以后，回響信號會變為低電平。高電平持續的時間就是超聲波在空氣中的傳輸時間。在已知聲速時，可由渡越時間法[3]求出探頭到障礙物的距離。

本系統的超聲波測距模塊具有8個探頭，HC—SR04的回聲(ECHO)信號均需要接入單片機的外部中斷，因此，必須分時復用。如圖3所示，本系統選用了一個74HC151多路信號復用芯片[4]，可以按照單片機的命令，分時將8個探頭的ECHO端與單片機的外部中斷口進行連通。

圖3 超聲模塊電路

3.2 顯示模塊設計

選用LCD12864液晶顯示屏作為顯示模塊，采用串行連接方式[5]。顯示模塊在本系統中主要起顯示3個方向探頭與障礙物的距離的作用。當探測到地面上有溝壑或凸起時，不僅顯示距離，還漢字顯示障礙物類型，車后上空有障礙物時也會配合報警裝置漢字提示。

3.3 溫度補償模塊設計

超聲波在空氣中傳播聲速受溫度影響較大[6]，需要測量環境溫度以校正聲速，減小環境溫度對系統測量精度的影響。系統采用美國DALLAS公司的DS18B20數字式溫度傳感器。傳感器具有體積小、電路簡單、測量精度高等優點。只需要占用單片機一個輸入/輸出(I/O)口即可實現溫度的測量。

3.4 報警電路設計

主要采用ISD1700語音芯片設計語音報警電路。ISD1700系列語音芯片具有集成度高、性能好的優點。不僅音質好，而且能夠實現多段錄音，可以很好地滿足實際需求。當超聲波探測到障礙物，語音模塊能夠根據障礙物類型發出相應的提示信息。

4 系統軟件設計

系統采用模塊化設計[7]，主工作流程如圖4所示。車子掛倒擋，系統啟動，首先將各個模塊初始化。首先1個探頭發射超聲波，延遲等待是否收到回波。如果有回波，記錄下超聲波從發射到接收到的時間，再根據溫度補償校正過的聲速，計算出到障礙物的距離并顯示，如果發現障礙物，在顯示屏上顯示是什么障礙，8個探頭循環工作。

圖4 主流程

3個方向上探頭報警的軟件設計依據如下：

1)水平方向探頭：當探測距離小于預設安全距離時，發出報警。

2)斜向下方向探頭：當探測距離d滿足d

3)斜向上方向探頭：當探測距離d

各個方向上的臨界安全距離與設定的安全閾值運算后得到的即為對應方向上的安全距離。

5 實驗測試

系統水平測距實驗的數據如表1所示。測量距離為系統顯示屏上顯示的距離。可以看出，最大相對誤差為1.60 %，基本可以滿足倒車需求。

表1 系統水平測距實驗數據

6 結 論

本文設計了一種基于單片機的超聲倒車防撞系統，該系統硬件電路簡單、測距精度高。不同于常見的雷達只能探測水平方向，此系統還能探測地面及空中的障礙物。當有障礙物出現的時候，系統不僅能通過顯示屏顯示車距障礙物的距離，還能提示障礙物的大致方位及類型，可以有效輔助司機倒車，避免擦頂及陷進溝壑等情況的發生。此系統十分適合于大型車輛使用，具有一定的研究與應用價值。