電容式避障傳感器的數(shù)據(jù)處理

李廣柱，陳威兵，李 瑋，張剛林，蘇 鋼

(長沙學院電子信息與電氣工程學院，湖南 長沙 410022)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的家庭擁有了自己的汽車，汽車數(shù)量的增加，給人們帶來便利的同時，由倒車引發(fā)的事故也越來越多[1].為此，在汽車上安裝避障傳感器日益受到重視.目前，車輛避障傳感器多采用超聲波技術(shù)[2].但由于超聲波無法穿透車架，在安裝時需要破壞車架，降低了汽車的安全防護性能.電容式避障傳感器、不需要破壞車架，具有安裝方便、成本低廉的優(yōu)點.當前，電容式傳感器多用于MEMS器件或高精度儀表[3-4]，車輛領(lǐng)域應(yīng)用的電容式傳感器以近距離探測為主，如汽車門禁控制等[5-10].本文將電容式傳感器應(yīng)用在車輛避障領(lǐng)域，研發(fā)得到成本低廉、性能可靠的電容式避障傳感器.

電容式避障傳感器的電容大小取決于車身與障礙物的遠近，測量得到電容大小即可獲得障礙物的距離.通過把電容變化轉(zhuǎn)換成頻率變化的振蕩，測量振蕩的頻率實現(xiàn)電容的測量，針對電容-頻率轉(zhuǎn)換存在的缺點，本文提出了基于電容-電壓轉(zhuǎn)換的新型電容式避障傳感器[11]；在研制電容式避障傳感器的過程中，提出了低成本的實現(xiàn)方案，同時設(shè)計了數(shù)據(jù)處理算法；基于電容-頻率轉(zhuǎn)換的電容式避障傳感器說明它的數(shù)據(jù)處理方法，這種數(shù)據(jù)處理方法也適用于電容-電壓轉(zhuǎn)換的電容式避障傳感器.

1 電容式避障傳感器原理與實現(xiàn)

1.1 電容式避障傳感器工作原理

基于電容-頻率轉(zhuǎn)換原理的電容式避障傳感器如圖 1所示.圖中采用金屬箔條作為電容式避障傳感器的一個電極，將它貼在車輛后方，和障礙物構(gòu)成一個電容器.

當車輛后方?jīng)]有障礙物時，金屬箔條本身可視作單極平板電容，其電容值記為Cx0；倒車時，金屬箔條與障礙物構(gòu)成電容器，此時金屬箔條形成的總的分布電容為：

(1)

式中，εr為大氣的介電常數(shù)，S為金屬箔條與障礙物形成的分布電容的等效面積，d為金屬箔條與障礙物之間的距離.根據(jù)圖 1所示的電容式避障傳感器，利用金屬箔條形成的分布電容構(gòu)成振蕩電路，其振蕩頻率與電容相關(guān)，將振蕩波形整形成方波，經(jīng)分頻后送至信號處理器.

1.2 電容式避障傳感器的實現(xiàn)

現(xiàn)結(jié)合圖1介紹電容式避障傳感器的實現(xiàn).圖1中振蕩電路采用NE555實現(xiàn)，如圖2所示.

可知振蕩電路的輸出信號頻率滿足：

(2)

金屬箔條的等效電容Cx約為0.4nF，輸出信號頻率19kHz左右.NE555輸出信號經(jīng)SN74HC4020分頻64倍后，轉(zhuǎn)換為約300Hz的方波，輸入到信號處理器.信號處理器采用GD32F130單片機，采用輸入捕獲法實現(xiàn)信號頻率的測量.

2 電容式避障傳感器數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在傳感器前沒有障礙物的情況下采集得到的一組頻率數(shù)據(jù)，如圖3所示.其中橫坐標為采集數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間，為了研究頻率數(shù)據(jù)的特點，采集了約67秒，共計20 000個數(shù)據(jù).圖3的縱坐標是頻率，由圖可見信號的頻率約為298.93Hz，與式的計算結(jié)果吻合.

圖3顯示，在傳感器前沒有障礙物的情況下，采集到的頻率數(shù)據(jù)具有一定的測量噪聲.若記GD32F130單片機的工作頻率為f0，輸入捕獲法測頻的計數(shù)值為N，則可知：

(3)

(4)

式中,Δf0是f0的微分，表示單片機工作時鐘抖動帶來的測頻誤差，鑒于單片機采用外部晶振，時鐘抖動引起的測頻誤差可以忽略不計.ΔN是計數(shù)誤差，包含兩個部分：

ΔN=e1+e2

(5)

式中,e1=±1，為單片機計數(shù)器引起的計數(shù)誤差；e2為圖2所示的振蕩電路引起的誤差.由于e1?e2，因此圖 3顯示的測量噪聲主要是由振蕩電路引起的.鑒于障礙物在靠近或遠離時避障傳感器僅能產(chǎn)生0.3Hz左右的頻率差，圖3中黑色曲線的波動范圍約0.15Hz，說明觀測噪聲較大，需要進行預(yù)處理才能應(yīng)用.

本文采用α-β濾波算法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，其中：

(6)

式中,n為頻率數(shù)據(jù)序列的時間序號，T為數(shù)據(jù)的采樣間隔，對于電容式避障傳感器而言，數(shù)據(jù)的采樣間隔是不均勻的，這里采用的時間間隔為T=298.93-1，其中298.93Hz是頻率數(shù)據(jù)的平均值.由式(6)計算得到增益α和β，采用α-β濾波算法進行處理，算法流程如下[12]：

(1)初始化頻率的預(yù)測值fe(1)和濾波值fi(1)，以及頻率變化率的預(yù)測值δfe(1)和濾波值δfi(1)：

(7)

(2)第n次觀測的預(yù)測處理.按式計算αn、βn后，根據(jù)第n-1次濾波值，計算得到第n次的預(yù)測：

(8)

(3)第n次觀測的濾波處理.利用式(8)計算得到的預(yù)測值，計算得到第n次濾波值：

(9)

表1 α-β濾波處理前后數(shù)據(jù)的均值和標準差

表1還給出了20點平滑處理的效果，即將頻率數(shù)據(jù)序列的前后共計20個數(shù)據(jù)做平均，相當于對數(shù)據(jù)進行長度為20的矩形窗FIR濾波.由表1可見，兩種處理方法對均值的改變可以忽略，相比之下，采用α-β濾波算法處理后，數(shù)據(jù)的標準差更小.

2.1 數(shù)據(jù)處理流程

若記無障礙物的時候，NE555的輸出信號頻率為f0，由式(2)可知：

(10)

記存在障礙物時的輸出頻率為f，綜合式(1)和式(9)可知：

(11)

式中，k=εr·S·163.5K/1.44，在實際操作的時候，通過標定計算得到k的經(jīng)驗值.另外，式中當f很接近f0的時候，計算得到的距離誤差較大，在實際處理的時候，只有f

綜上所述，電容式避障傳感器處理流程如圖4所示.首先將輸入捕獲值轉(zhuǎn)換為輸入方波信號的實際頻率；在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并與閾值比較，如果小于閾值，則計算距離，根據(jù)距離輸出告警信號.

針對本文研制的樣機，在各種溫度和環(huán)境下進行了大量實驗，同一臺樣機的檢測閾值基本不變，生產(chǎn)過程中可以針對每一臺傳感器標定檢測閾值.考慮到實際情況復雜多變，檢測閾值可能會發(fā)生改變.圖4中預(yù)留“更新閾值”的功能，以期自適應(yīng)滿足各種環(huán)境下的應(yīng)用需求.

在計算得到距離后，電容式避障傳感器需將距離轉(zhuǎn)換為告警信號，告警信號分為三檔，滿足駕駛員提示需求.

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

本文采用鋁箔，設(shè)計得到長1m、寬20mm的金屬箔條，貼在紙板上進行實驗，金屬箔條的照片如圖 5所示.

將金屬箔條固定在支架上即可進行測試.把該實驗裝置放置在空曠的區(qū)域，人在支架前0.2m至3m處來回走動，通過本文設(shè)計的系統(tǒng)，可以測量到被測試人的距離如圖6所示，圖中橫坐標為時間，單位為s；縱坐標為被測試人與傳感器之間的距離，單位為m.

測試開始時，人處于3m處不動，3s時開始向傳感器接近，5s到達距離傳感器0.2m的位置，停下并返回，7s返回3m處停下.11s左右繼續(xù)從3m處開始向傳感器接近，13s到達0.2m的位置，并停留1s后離開傳感器，約第16s返回3m處.從圖 6可以看到，4～6s、12～15s有測量結(jié)果，其他時候由于測量得到的頻率沒有低于檢測閾值，所以圖6沒有給出測量結(jié)果.

4 小結(jié)

本文介紹了電容式避障傳感器的數(shù)據(jù)處理流程，提出采用α-β濾波進行數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，同時給出了避障傳感器的處理流程.進行了實驗，實驗數(shù)據(jù)表明了數(shù)據(jù)處理方案的可行性.

在電容-頻率轉(zhuǎn)換式避障傳感器的基礎(chǔ)上，通過改進傳感器的信號變換方式,將電容-頻率轉(zhuǎn)換改變?yōu)殡娙?電壓轉(zhuǎn)換，改善了電容式避障傳感器的性能，目前也已研制得到原理樣機，這種新型電容式避障傳感器亦可采用本文提出的數(shù)據(jù)處理方案.