基于超聲波的汽車盲區檢測

孟銀闊 劉江濤 龔佑祥 葛思翀 汪麗紅

摘? 要：隨著信息技術的進步，傳感器和智能處理技術能夠為人們提供有效的輔助信息。在駕駛汽車的過程中，由于后視鏡存在視野上的盲區，在行駛過程中司機轉向時需要做出謹慎的判斷，否則就會有安全問題。為了司機的駕駛安全考慮，設計制作了基于超聲波的汽車盲區檢測系統，當需要轉向時利用超聲波對行駛中汽車的盲區進行檢測，如果發現車輛側方的盲區有車輛，可以立即發出聲光的提醒，為駕駛員的安全駕駛提供可靠的參照。

關鍵詞：超聲波；傳感器；單片機

中圖分類號：TP368? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）06-0168-04

Automobile Blind Spot Detection Based on Ultrasound Wave

MENG Yinkuo， LIU Jiangtao， GONG Youxiang， GE Sichong， WANG Lihong

（School of Electronic Information Engineering， Shanghai Dianji University， Shanghai? 201306， China）

Abstract： With the progress of information technology， sensors and intelligent processing technology provide people effective ancillary information. In the process of driving， since the blind spot in the field of rearview mirror， the driver need to make a decision carefully when turning， otherwise there will be safety problem. In view of the safety driving， this paper designs and products an automobile blind spot detection system based on ultrasound. When the driver needs to turn， it uses ultrasound to detect the blind spot for the driving automobile. If there is an automobile in the blind spot of the side of it， it can immediately issue sound and light warning to provide a reliable reference for the driver's safe driving.

Keywords： ultrasound; sensor; Single-Chip Microcomputer

0? 引? 言

隨著人們生活水平的提高，人們的衣食住行有了很大的改變。特別是在出行上，汽車的普及應用大大改變了人們的出行方式，使人們的生活更加便利。但是伴隨汽車的普及，道路上的交通狀況也變得擁擠起來，隨之而來的是駕駛車輛的一系列安全問題；例如倒車無法精準判斷身后障礙物的距離、駕車時是否側后方有車輛并行且處在視野盲區無法觀察，這些都會導致出現安全隱患。尤其是車輛行駛中后視鏡存在的視野盲區，由于后視鏡視野的限制，在車輛的側后方會存在盲區，如果在車輛行駛中不能及時的發現在盲區中是否有車輛同樣在行駛，司機貿然換道或轉向時，就會造成不可避免的安全事故。如果有輔助的裝置能夠對汽車的盲區進行有效的檢測，并給駕駛員及時的提出提醒，就會對駕駛安全提供有效的輔助手段。在對障礙物的檢測方面，超聲波具有一定優勢，超聲波遇到障礙后有回波反射，可以用于判斷到障礙物的距離。超聲波測距是一項原理簡單、維護方便和成本低的測距技術，與CCD、雷達、激光相比，具有近距離測量速度快、方向性強、不易受電磁、光、煙霧干擾等優點，在液位測量、機器人避障、精確測距定位等領域得到廣泛的應用[1-3]。因此，基于超聲波的汽車盲區檢測可以廣泛的應用于汽車上，并有效的提高安全駕駛的狀況。在超聲波盲區檢測方面，在文[4]中，利用三個超聲波傳感器結合探測車身一側216°范圍內的障礙物的最近距離來判斷盲區的障礙物，在文[5]中提出了適用于中國交通環境的BSM測試場景。在本文中，利用超聲波傳感器設計及制作了一個汽車盲區檢測系統，可以對汽車兩側的盲區進行有效的檢測，為駕駛員提供有效的輔助信息，提供車輛駕駛的安全性。

1? 系統設計

1.1? 系統框架設計

為了簡化系統的設計并可靠的檢測汽車的盲區，在本文設計的超聲波盲區檢測系統中，由STM32單片機主控板以及蜂鳴器、OLED顯示模塊、電源、繼電器、超聲波探測器構成，其中在車子的兩側各布置兩個超聲波傳感器并對準車輛側后方的盲區。

系統的工作原理：在工作狀態，由單片機控制超聲波探測器發射一束超聲波，該超聲波投射到車體、物體或地面后反射回來，然后超聲波接收器接收從車輛、物體或地面的反射波信號送入單片機，單片機根據發射的超聲波與接收到的反射波之間的返回時間差，來判斷該時刻在車輛的側后方有無車輛或障礙物。在安裝超聲波探測器時，由于超聲波探測器本身與地面的高度是一定的，所以超聲波探頭發出超聲波投射到地面，超聲波經地面反射后再送入超聲波探頭接收；在沒有障礙物的情況下，接收反射波的時間也是固定的。當車輛的側后方有車輛通過時，由于車輛本身的遮擋，使超聲波探頭接收到反射波的時間相對縮短，從反射波的接收時間上就可以判斷出側后方有車輛正在通過或有車輛存在。當判斷出車輛的側后方有車輛存在時，在單片機的控制下系統會發出蜂鳴聲及燈光的閃爍，以提醒駕駛員在車輛的盲區有車輛或障礙物存在，需要采取謹慎的操作以避免安全事故的發生。

1.2? 系統功能模塊及運行流程和功能

STM32微處理器：在本文中設計的系統中，采用的是STM32系列的單片機，單片機型號是STM32F103RCT6，如圖1所示。其命名的具體含義是：Cortex-M3基礎型MCU；最高主頻為72 MHz；并且具有64 KB FLASH、20 KB RAM，采用的是LQFP48封裝形式，芯片的工作溫度范圍可達-40 ℃到85 ℃。在該芯片上還有其他擴展的硬件資源包括：三個通用定時器、一個高級定時器、7通道DMA控制器、兩個SPI、兩個IIC、三個USART、一個標準MicroUSB接口、一個CAN、兩組12位模數轉換器、32個通用IO口[5]。

超聲波模塊的型號為HYSRF05，在該模塊的內部主要包括超聲波發射器、接收器以及控制器，如圖2所示。該超聲波模塊可提供2 cm～400 cm的距離測量范圍，測距精度可達3 mm，測量角度為15度。該超聲波模塊的工作電壓為4.5 V～5.5 V，最大工作電流15 mA，超聲波的工作頻率為40 kHz。該模塊是分體式探頭，一個用于發射，一個用于接收，所以其測量上存在的盲區相對于一體式探頭要小得多[2]。該模塊的工作模式是：當單片機的I/O口輸出一個持續時間為10 μs的TTL脈沖信號就可以觸發該超聲波模塊開始工作，模塊開始工作時會自動發出8個40 kHz的方波，并檢測是否有信號返回。當有信號返回時會通過該超聲波模塊的I/O口ECHO返回一個高電平信號，而該高電平的持續時間就是超聲波從發射到接收到反射波的時間。通過對高電平持續時間的計算就可以得到與障礙物間的距離，而在本文中的系統中也是通過對距離的測量來判斷在車輛的盲區是否存在車輛或障礙物。

由于系統中的模塊需要不同的電源電壓，在本文中采用型號為ZAB75-220S12的直流-直流電源模塊供電，給系統供電時電源直流6 V輸入，直流5 V或3.3 V輸出，用于給系統中其他模塊的運行供電，如圖3所示。

如圖4所示，蜂鳴器的型號為：ZL-YDW1407-4005P-7.6，系統利用蜂鳴器發出報警聲音，為駕駛員提示車輛的側方周圍有障礙物且距離很近，用于警示駕駛員采取正確的操作。

如圖5所示，OLED顯示屏型號為0.96inch OLED（A）用于字幕顯示，以及顯示車輛與障礙物之間的距離。

1.3? 電路設計

在超聲波盲區檢測系統的硬件設計中，STM32微控制器是系統的核心，同時在微控制器的協調下通過各個模塊的通信協議，微控制器與模塊間進行連接和數據的傳送。繼電器、超聲波模塊和蜂鳴器模塊都是通過微控制器的端口發出的高低電平進行觸發，超聲波模塊收到反射信后，會發送信號給微控制器用于距離的計算。

系統的電路原理如圖6所示，STM32單片機是整個系統的核心，由STM32單片機構成的小系統實現對超聲波的檢測及信息的輸出和顯示。在系統工作時，在單片機的控制下超聲波模塊HY-SRF05采集到障礙物的距離數據，然后再把信息發送給單片機進行計算，以檢測在盲區3 m的范圍內是否存在有障礙物，若發現車輛兩側的盲區存在車輛或障礙物則會發出警報，同時在顯示屏上會有相應的警示信息提示。與STM32小系統配套的還有電源電路、超聲波檢測電路、按鍵電路、報警電路。

1.4? 超聲波盲區檢測的軟件設計

系統軟件是為系統硬件配套設計的，超聲波汽車盲區檢測系統的軟件程序分以下幾部分：單片機主程序，檢測障礙物子程序，距離計算子程序，蜂鳴器警報子程序，屏幕顯示子程序，繼電器開關子程序。STM32微控制器為主控核心，其主程序流程圖如圖7所示。

在系統啟動工作后，單片機進行對系統初始化的設置，當需要對汽車的盲區進行檢測時開始啟動超聲波模塊工作，這時超聲波模塊會發出超聲波脈沖，單片機從收到的回波信號來進行計算和判斷，如果從發射到接收到回波信號的時間比較短，符合近距離有障礙物的條件，就說明在行駛車輛的側方盲區存在同樣正在行駛的車輛，單片機就發出報警信號，蜂鳴器發出警報，同時顯示屏顯示警示信息，單片機進入待機狀態。如果超聲波模塊啟動后，通過超聲波的檢測，在盲區收到的回波信號不滿足有障礙物的條件，則單片機繼續通過超聲波模塊對盲區進行檢測，但是不會發出警示信息。

1.5? 超聲檢測技術

在具體的檢測方法上，系統采用超聲波渡越時間檢測法。距離的計算公式：

（1）

其中，d為被測物與測物的距離，S為來回聲波路程，v為聲速，t為聲波來回的時間。由于聲波在空氣中傳播速度與溫度有關，故超聲波的傳播速度查表可得近似公式：

（2）

因此，超聲波往返的距離公式修正為：

（3）

其中，式（2）和式（3）中的T為空氣溫度，t為超聲波往返的時間。

系統實現的功能有：

（1）系統有三個開關，分別是電源開關和控制左右兩邊超聲波檢測的開關。其中，電源開關用于系統供電的打開與關閉，控制系統是否開機。左右的超聲波檢測開關是用來模擬左右的轉向開關。在轉向時，司機正確的操作應該是先打左或右的轉向燈，再判斷要轉向的方向上是否有車輛。因此設置左右超聲波檢測開關可以與轉向燈的開關并接，當轉向燈打下時，發起對左或右方的盲區開始發起檢測，和車輛的轉向燈開關聯動在符合安全駕駛要求的同時，更便于該超聲波盲區檢測系統發揮作用。

（2）打開電源開關后，系統開始工作，當需要轉向時，轉向燈打下的同時系統開始對轉向燈方向的盲區進行檢測，這時如果檢測到要轉向的盲區有障礙物或車輛，OLED屏幕上會顯示“Warning！！！”字樣，同時蜂鳴器也會發出警報聲，提醒駕駛員采取正確的操作。

（3）超聲波模塊工作時，把檢測到的超聲波往返的時間用持續的高電平從echo口發出，單片機接收到后根據高電平的持續時間計算出距離障礙物的距離，并判斷出是否是盲區的障礙物或車輛反射回來的，當確定盲區有障礙物或車輛時，單片機觸發報警信號。

設計制作的實物如圖8所示。

2? 系統調試及分析

超聲波盲區檢測系統的電路制作及軟件編程完成后，對功能實現進行了調試。以下是調試的步驟和過程：

步驟一：接通電源，按下電源開關，系統開始工作，完成內部的初始化設置。

步驟二：壓下用于模擬左轉向開關，若超聲波探測器探測到左側有障礙物時，蜂鳴器會發出警報，同時OLED屏幕上會顯示“LEFT Warning！”的字樣。

步驟三：壓下用于模擬右轉向的開關，若超聲波探測器探測到右側有障礙物時，蜂鳴器會發出警報，同時OLED屏幕上會顯示“RIGHT Warning！”的字樣。

步驟四：檢測左右兩側同時探測的功能，同時壓下模擬的左轉向開關和模擬的右轉向開關，若超聲波探測器探測到左右兩側都有障礙物時，蜂鳴器會發出警報，同時OLED屏幕上會顯示“LEFT Warning！”和“RIGHT Warning！”兩行字樣。該功能是用于檢測系統對車輛兩側同時檢測的功能，以及分布在兩側的模塊的工作是否正常。

經過實驗和調試，在本文中設計制作的超聲波盲區檢測系統對盲區的檢測功能都可以完成，且符合預期的要求。由于條件有限，對超聲波的盲區檢測在這里只是實現了驗證系統，對系統的功能進行了驗證，系統在實驗條件下可以達到對車輛兩側盲區進行檢測的目的。在今后的工作中，將會再對硬件設備進行完善和升級，并在車輛上進行安裝實測，為該系統在車輛駕駛中實際使用再做進一步的努力。

3? 結? 論

隨著現代社會在經濟及科技上的不斷發展和進步，人們的生活水平也得到了同步提高，生活方式也在發生巨大的變化。駕駛汽車成為人們日常的出行方式，也使得人們對駕駛安全性的關注程度日益增強。因此，利用輔助的智能技術為安全駕駛助力就成為必要的需求。在這個背景下，基于超聲波的汽車盲區檢測系統就有了廣闊的發展和應用的空間。在本文中，設計制作了基于超聲波的盲區檢測系統，經試驗驗證該系統可以幫助駕駛員探測汽車盲區是否有車輛和障礙物，并在探測到盲區存在障礙物或車輛的情況下發出警示信息，以便駕駛員能夠及時知曉盲區的情況，在轉向等情況下采取正確安全的操作，可以有效的增加駕駛員駕駛汽車的安全性。由于該系統具有安全可靠、簡單易用的特點，可以為駕駛員安全駕駛提供一定的輔助作用，具有一定的實際應用和推廣價值。

參考文獻：

[1] 李戈，孟祥杰，王曉華，等.國內超聲波測距研究應用現狀 [J].測繪科學，2011，36（4）：60-62.

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[3] 張一鳴.超聲波測距盲區研究的探討 [J].電腦知識與技術，2020，16（12）：256-258.

[4] 王敏，周樹道，彭文星，等.基于超聲波傳感器的汽車盲區檢測系統研究 [J].自動化技術與應用，2017，36（3）：110-112.

[5] 曾俊延.汽車盲區監測系統測試與評價方法研究 [D].重慶：重慶交通大學，2018.

作者簡介：孟銀闊（1969—），男，漢族，河南漯河人，副教授，博士，研究方向：通信信號處理技術。

收稿日期：2022-11-01

基金項目：上海市大學生創新活動計劃項目（201911458039）