基于超聲波測距和激光測距的便攜式防撞預警裝置

◇江蘇大學無錫機電學院 周付俊

為了減少盲人等人群交通事故問題，有必要借助便攜式預警裝置來監測，報警來提示盲人等人群。本文依據超聲波測距原理、激光測距原理，利用Arduino、Proteus等軟件，開發了基于超聲波測距和激光測距的便攜式防撞預警裝置，該裝置能夠有效減少此類事故的概率。

安全預警器是一種防止高速行駛中車輛連環追尾碰撞事故發生的全自動報警裝置。該裝置主要由加速度傳感器和無線電收發裝置構成。當車輛高速行駛過程中遇到危險情況采取緊急制動或者發生碰撞事故的一瞬間，預警器自動檢測到危險信號，并驅動無線電收發裝置，以光速向其尾隨（周邊）1.5公里范圍內的其他車輛發出聲光報警信號，提醒其他駕駛員高度警惕，盡快采取主動性防范措施，遏制連環追尾碰撞事故發生。

基于類似的需求目的以及我國老齡化的國情，現需要設計一種裝置來判斷周圍一百米內是否有物體在以極快的速度接近或周圍三米內是否有障礙，并根據方向提供預警。以此來幫助盲人或者反應遲鈍的老年人留有時間做出防范，避免事故發生，減少家庭悲劇的發生。

1 系統總體結構的設計

1.1 系統原理

便攜式防撞預警裝置原理圖如圖1所示，系統由超聲波傳感器，TOF激光測距模塊、微處理器、語音預警模塊等部分組成。其中超聲波傳感器的型號為HC-SR04，微處理器用的是Arduino。工作時實時檢測周圍的環境，來實現檢測一百米內是否有物體在以極快的速度接近或周圍三米內是否有障礙，再通過播出不同的音頻來起到預警的作用。裝置要設計合理的結構以及挑選合適的材料達到實用，美觀，便攜式的效果。

圖1 便攜式防撞預警裝置原理圖

1.2 超聲波測距原理

只需要提供一個時間長于10 μs的高電平觸發信號，該傳感器內部會自動發出8個40 kHz的超聲波脈沖，同時超聲波傳感器內部產生一個回響高電平并檢測回波。一旦檢測到回波信號則向外輸出回響信號。回想高電平信號的持續時間就是超聲波傳感器從發射超聲波信號到接收到反射的回波的時間[1]。據此原理可以計算出物體距離超聲波傳感器的距離S。

其中v為在空氣中的聲速；t為高電平持續的時間。

圖2 超聲波時序圖[1]

目前超聲波測距技術已經比較成熟，圖3為用超聲波測距測量實際距離為30cm，50cm，100cm，120cm，140cm，160cm，200cm，300cm所做出的折線圖。此圖斜率K=超聲波測距/實際距離。由圖可見，斜率K接近于1，即意味著超聲波測距測量的距離基本等于實際距離，準確性較高。

圖3

1.3 激光測距模塊工作原理

圖4 激光測距原理

激光器發射一個激光脈沖，并由計時器記錄下出射的時間，回返光經接收器接收，并由計時器記錄下回返的時間。兩個時間相減即得到了光的“飛行時間”，而光速是一定的，因此在已知速度和時間后很容易就可以計算出距離[2]。在單片機中設置時刻T1和T2，讀取兩個時刻的距離S1和S2，運用區間測速，即可計算出速度V。

1.4 機械結構

這部分是本裝置的一個重點。機械結構的設計，既需要能夠實現360°的全方位檢測，又需要保證結構簡潔小巧，方便攜帶。機械機構如圖5所示，可放置在生活中常見的帽子中。由于常見的布帽材質柔軟不具備安置核心裝置的硬度，所以制作了相應的支撐結構，即在內部圓柱壁裝上支撐固定裝置，在圓柱頂部裝上支撐底板。

圖5 本作品放置在帽子中的示意圖及剖面視圖

機械結構主體部分由步進電機、角度傳感器和支撐、連接框架組成。如圖6所示，步進電機和角度傳感器兩者之間裝有相同規格的齒輪，設備靠兩個齒輪相互嚙合來使角度傳感器獲取步進電機的旋轉角度的數據，從而獲得即時的探測方向。步進電機輸出軸上同時還裝有支撐平臺，支撐平臺上裝有TOF激光測距模塊和超聲波傳感器。支撐平臺最上方還留有處理探測數據的單片機的空間。側面留有空間給電源和控制電機的單片機。總之，這樣的結構設計使整個預警器空間利用率高，結構緊湊，方便預警器移植到其他的使用場合。

圖6 本作品內部結構視圖

1.5 測距及預警模塊

測距模塊：包括超聲波傳感器和TOF激光測距模塊。前者實現周圍兩三米內障礙物預警，后者實現對百米范圍內快速靠近物體預警。激光測距儀所在支撐平臺表面并不水平，具有一定的傾斜角度來保證測量對象的高度合適。超聲波傳感器裝在與激光測距儀相對的方向，通過旋轉平臺，可以實現兩者同時360o的掃描。

預警模塊：包括單片機和語音播報模塊。其中，單片機負責處理測距模塊傳回的數據信息，分析判斷是否有障礙物擋路或者被撞危險。經過數據處理后，得到某個需要預警的情況時，觸發語音播報模塊進行預警。預警信息中還包括由角度傳感器采集的障礙物或高速運動物體的方位。

2 系統工作流程

作品的工作流程可參考圖7。工作流程的具體描述如下：打開開關后，預警器即處于工作狀態。頂部的超聲波傳感器和激光測距儀探測兩個相對的方向，并處于360°旋轉的狀態，同時即時反饋探測信息給單片機。單片機經過智能數據處理和分析后，判斷是否達到報警條件。若達到報警條件，將通過語音報警且提示障礙物或快速靠近物體的具體方位。

圖7 預警器功能流程圖

圖8 便攜式防撞預警裝置實物圖

3 實際應用和特色

區別于市場上一般的針對老年人的蜂鳴預警器，本裝置能夠貼心的提供語音預警，且提示障礙物或快速運動物體的具體方位。結合激光測距儀、超聲波傳感器和旋轉平臺，實現了百米范圍內快速靠近物體預警和兩三米內障礙物預警。裝置在保證實時預警功能同時，還合理設計機械結構，實現小巧便攜的特點，方便移植至其他可能的相關應用場景。本裝置具有成本低、測量方位廣、結構設計小巧便攜等特點，具有良好的市場應用前景。

4 結束語

本文章依據超聲波測距原理、激光測距原理，利用Arduino、Proteus等軟件，開發了基于超聲波測距和激光測距的便攜式防撞預警裝置，該裝置能夠有效減少事故的概率。