汽车泊车辅助系统设计Word下载.docx
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Keywords:
singlechip;
sensor;
ultrasonicranging
1绪论
1.1国内外研究现状
最初的泊车辅助系统，是用于货车上的语音泊车警告。
它在汽车挂上倒档后会发出“倒车请注意！
”的语音，提醒车辆周围的行人和行车，以主动避让，从而减少事故的发生。
但是“泊车喇叭”对驾驶员来说主动性很差，驾驶员无法掌握车后方的情况。
虽然说它的语音提醒能很大程度避免对行人伤害，但由于车主泊车时无法发现车后的障碍物，无法对车辆进行有效保护，因此极易造成刮擦及碰撞。
于是，在“泊车喇叭”的基础上生产厂家研发了第二代泊车辅助系统:
“超声雷达”。
它是通过安装在在车辆尾部的传感器，对车辆后方一定范围内的障碍物进行探测。
并通过报警的“嘀嘀”声或语音提示辅助驾驶员进行泊车操作。
同样，“超声雷达”在面世后没多久，驾驶员也发现了它的一些弊端。
它虽然解决了“泊车喇叭”无法发现泊车障碍物的问题，但由于它无法判断障碍物的确切位置，也不能探测路面坑洼之处或低矮的障碍物，因此“超声波倒车雷达”泊车技术在安全泊车的问题上还是存在一点点瑕疵。
因此，厂家在“超声波倒车雷达”的基础上又研发了第三代泊车辅助系统:
“泊车影像”。
它是通过安装在车尾的高清摄像头，将车后路况信息清楚的显示于车内的显示屏上，让驾驶员可以查看后方道路情况，从而使汽车安全的泊车入库。
泊车影像的出现着实让刚上路新手如释重负，因为可以看到实际的路况影像，符合驾驶员的真实需求。
那么，泊车影像的出现真的解决了泊车难得问题吗?
其实不然，泊车影像依然存在泊车难问题，那就是泊车影像的一个致命缺陷，泊车影像显示的不够全面，画面里存在盲区。
于是第四代泊车辅助系统全景影像系统横空出世，其主要包括一个图像处理单元和四个超广角摄像头。
左右摄像头分别安装在左右后视镜下方，前后摄像头分别安装在前后保险杠上方。
这个全景环视概念最早是由K.Kate，M.Suzuki，Y.Fujita，Y.Hirama等四人于2006年首先提出[1]。
这一概念提出后，马上引起了国内外众多汽车生产厂家和相关科研单位的兴趣。
但到目前为止，基于这一观点研发出成熟产品的厂家却屈指可数。
2007年，日产公司发布了首款全景行车安全系统“环景监视系统AVM”[2]，2008年本田推出了multi-viewcamerasystem，2009年阿尔派推出TOPVIEW系统，2010年Fujitsu公司研发了Multi-AngleVision系统，宝马公司自主研发的只有左、右、后三个方位视图的泊车辅助系统，首先应用在X6上，宝马740系列上的全景系统还是其供应商提供的。
1.2选题目的与意义
自改革开放以来，我国经济迅速发展的同时工业也发生了天翻地覆的改变，人们的生活水平越来越高，汽车已经从“万元户”的家中进入千家万户的家庭当中，由此产生的交通问题也越来越变的尖锐起来。
主要针对越来越拥挤的公路、停车场、街道等场所，加上驾校培养中存在问题，大量驾驶员在拿到驾照之后变身“马路杀手”，容易刮伤汽车甚至发生交通事故等一些情况，泊车辅助系统是一种旨在泊车防护的汽车防撞系统。
泊车期间发生事故的频率极高，已引起了社会和交管部门的高度重视。
与此同时，网络购物越来越方便订单量呈现爆发式增长，快递行业发展势头迅猛，订单量业务量不断增加，物流公司和快递公司工作量增加货运缺口使货运驾驶员工作时间延长，容易造成疲劳驾驶导致交通事故的发生。
“行百里者半于九十，此言末路之难也”在货运的最后环节由于驾驶员的麻痹大意出现事故的可能性也会大大增加，
图1.1运载卡车视角
图1.2运载卡车驾驶员视角
从图上可以看出，驾驶员在驾驶运载卡车时对于侧方行车信息掌握不全，在遇到恶劣天气时此种情况更是雪上加霜。
而且运载卡车的驾驶室高大，驾驶员视线收到各种障碍物的影响，驾驶员视线之内存在很多死角为事故的发生埋下了隐患，经过实际测量与体验我发现运载卡车在倒车时的问题主要为右侧和后侧距离无法掌握，驾驶员习惯看离自身较近的左方后视镜而忽视了车辆右方的行人及路面情况，非常容易发生交通事故。
奔驰汽车的泊车辅助系统为蓝本，奔驰汽车的全向泊车辅助系统基于10个测距雷达组成，包括前后左右4个方向，非常出色的解决了小型汽车的泊车问题。
其同样适用于解决运载卡车的泊车问题。
图1.3奔驰汽车泊车辅助系统测距传感器
目前国内外常用的测距方式大致分为5种：
红外雷达测距，毫米波雷达测距，视频测距，激光测距[3]。
光电测距激光测距与红外测距都属于光电测距。
光电测距具有时间短、量程大、精度高等优点。
而且光电测距所使用光波的波束近似直线，很少扩散，波束的能量比较集中，测距的准确性较高。
光电测距系统又分为成像式和非成像式两种，车载测距系统偏向于非成像式应用。
非成像式又分为脉冲式光电测距和相位式光电测距两种。
但是在车载应用领域，要求测距系统对天气的适应能力强，而且能忍受振动的干扰，而光电测距受天气的影响很大，在高速运动的车体中，也很难在振动环境中保持较好的稳定性和可靠性，并且外界的日光环境也会影响到光电测距系统的工作。
已经处于使用阶段的光电测距系统价格较高。
毫米波雷达测距雷达是通过所测目标对电磁波的反射来探知目标并测定其位置的。
从这个意义上讲，前面所提到的倒车雷达不能算是严格意义上的雷达。
雷达的工作频率范围从到，工作在以下的称为微波雷达，在以上的称为毫米波雷达。
车载雷达的一般选用在等波段，其对应的频率范围处在毫米波雷达范围。
毫米波雷达是长距离测距用到的。
毫米波雷达测距不易受被测对象表面状况和颜色的影响，并且不受大气流动的影响，雨、雪、雾、阳光和灰尘等的干扰较小，且其测距的精度很高，可以实现多目标测量。
毫米波雷达的缺点在于毫米波雷达的工作介质是电磁波，不同车辆之间的毫米波雷达会相互干扰以致无法工作，并且还会影响到车载通讯系统和广播系统的工作有些物体对毫米波的反射较弱，如房屋、水泥或塑料隔离墩、数目、行人或牲畜等，此时毫米波雷达就会做出误判，从而影响到行车的安全性。
视觉测距所谓视觉测距就是利用摄像机或照相机实时拍摄包含被测目标的图像，然后利用计算机对所拍摄的图像迅速提取特征信号进行分析和计算，求出被测目标到摄像机之间的距离。
单目视觉测距无法准确获得被测对象的距离值，现在广泛的研究所关注的是双目视觉的测距系统。
双目视觉系统模仿了人的视觉原理，测量的精度很高，但目前的价格很高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢，需要软硬件的发展达到可以迅速成像并且价格大幅下降的时候才能得到广泛应用。
超声波测距超声波指的是工作频率在以上的机械波，它具有穿透性强、衰减小、反射能力强等特点。
超声波测距的原理是利用测量超声波发射脉冲和接收脉冲的时间差，再结合超声波在空气中传输的速度来计算距离。
超声波测距的原理简单、成本低、制作方便，且超声波对雨、雪、雾的穿透性较强，可以在雨、雾等恶劣天气下工作。
其次，超声波对光照和色彩不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体。
再次，超声波对外界电磁场不敏感，可用于由电磁干扰的环境中。
但是超声波测距的速度和光电测距与毫米波雷达测距的速度无法相比，且超声波具有一定的扩散角，只可测得距离，不可以测得方位。
表1.1测距方式对比表
红外线测距
激光测距
视频测距
毫米波测距
最大距离
10米
150米
<
100米
响应时间
15毫秒
1000毫秒
10毫秒
不一定
1毫秒
探头干涉
几乎没有
略有影响
影响较大
影响极大
成本比较
5元
50元
500元
成本很高
环境影响
几乎不影响
能见度低时可以工作
恶劣天气无法正常工作
视可见度情况而论
经过横向对比之后发现超声波测距成本低廉，技术成熟。
完全可以胜任泊车辅助系统的测距任务。
2系统设计方案
2.1超声波的工作原理
声波是世界上传递信息的众多载体当中的一个，它是由物体震动然后以波束的形式向外界传波的一种弹性机械波。
人们发现其震动的次数不同所以根据其震动的频率（单位时间内的震动次数）把声波分成了三大类，人们把人类耳朵能听到的叫做可闻声波它的震动频率在20赫兹至2.0X10的4次方赫兹之间，还有两种是人类听不到的是次声波（频率低于20赫兹）超声波（频率高于20K赫兹），次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收。
某些频率的次声波容易和人体器官产生共振，对人体有很强的伤害性。
[4]
超声波的独特优点：
由于超声波的频率很高，波长很短，所以超声波对比其他声波有着自己独特的优点：
1.可沿直线传播，声波的发散性与波长有关，超声波的波长非常短，可以发射定向且集中的超声波束，有利与目标定位及距离测量。
2.传播衰弱小，超声波在介质中传播所损耗的能量小，因此广泛应用于工业探伤和交通测距等方面。
3使用成本低廉，一般来说工业及制造业应用中对于精度的要求不是很高时，选用成本较低的超声测距方式有利于企业减少成本增加竞争力。
4.环境适应性强，超声波测距对外界环境的要求不算高。
超声波在现实生活中已经成熟应用在工业的各个方面，在工业技术领域起到非常关键的作用。
具体应用有以下几个方面：
1.测距：
由于声波的特点，这种测距方法不受或受环境影响较小，在距离测量方面得到了广泛的应用。
2.超声探伤，因为超声波在各种介质当中都能良好的传播，所以超声波常用来对建筑物进行支撑结构探伤，探测其中的“伤疤”。
3.声呐：
就是声呐发射出超声波照射目标，然后超声波回收装置接收水中目标反射的回波，可用来探测水下的目标，并检测出目标的距离、方位、航速等参数。
4.b型超声波扫描技术：
通俗来讲就是超声波在医学上的应用，探测人体脏器的情况方便医生做出诊断。
5.焊接：
超声波在塑料制品的表面产生几万赫兹的振动，这种振动会产生局部的高温。
致使两个塑料制品接触面因高温熔化，使得两个塑料制品的接触面熔为一体。
2.2超声波的测距方法
超声波测距过程中，波动主要在空气中传播。
对于空气这样的流体介质，超声波传播时，介质中只有体积形变即拉压形变，而没有切变形变，所以只存在纵波形式，在空气中只有纵波，因此声波在空气中的传播速度只有一个。
目前国际上常用的以超声波为工具的测距方法有两种它们分别是超声波相位检测法和超声波脉冲回波法。
我们来简单对比一下这两种方法，第一种是超声波相位检测法，我们知道超声波的传播速度是340米/秒，那么超声波发射装置发出波束后超声波接收装置收到反回波束之间会有一个相位差，我们把这个相位差值与超声波在空气中的传播速度相乘就得到了测距模块与被测物体之间的距离[5]。
也就是L=1/2ct
此方法测距精度高但是测量距离比较近只有15厘米至60厘米。
图2.1相位检测法
第二种是超声波脉冲回波法其还有一个名字叫作时间渡越法，超声波测距大都采用时间渡越法，其原理类似于数字式雷达原理，测距开始发出脉冲，处理器开始计数器，检测到回波信号后，中断处理器关闭计数器，根据计数脉冲的重复周期T，得到渡越时间tR-nT，n为计数器值，所以，测量tR实际上变成读出距离计数器的数码值n。
对目标距离R的测定转换为测量脉冲数n，从而把时间tR这个连续量变成了离散的脉冲数。
目标距离R与计数器读数n之间的关系为
n=
（2.1）
R=
（2.2）
f为计数脉冲重复频率，所以发射频率越高测距精度越高。
此种方法可测距离为40厘米至1X103厘米，且精度较高满足本设计的使用要求。
经过以上对比与分析，泊车辅助系统的测距计算方法用第二种更适合。
2.3超声波测距精度及补偿
超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，称为衰减。
引起衰减的原因大致有三个：
1由声束扩展引起的衰减。
2由散射引起的衰减。
3由介质的吸收引起的衰减。
这些衰减都最直接的表现就是声波的声压与声强的变化。
科学家经过大量的研究和实验发现超声波的传播速度在各种介质之间是不同的。
其中在空气中速度最慢只有340m/s，而且其能量随着距离的增长不断变小。
其表达式可以写成
A=A（x）cos（Wt+kt）（2.3）
=A0e-2axcos（Wt+kt）
K=2π/λ（2.4）
a=bf2
A（x）表示超声波接受装置收到的振幅
A0表示超声波发射装置发出的振幅
α表示衰减细数
x表示超声波的传播的距离
w表示传播角频率
λ表示超声波的波长
t表示超声波在空气传播的时间
b表示空气的介质常数
f表示超声波的频率
在空气作为单一传播介质时，b=2X1.-13S2/cm，本文前面提到过科学家经过大量研究和实验证明超声波的能量随着传播距离的增加而不断变小，那么其传播距离也随着缩短。
假设超声波发射装置发出的超声波频率为20赫兹那么带入公式可得λ为1.7cm，然后我们在改变超声波发射装置发出的频率使频率变为原来的2倍，代入公式得出λ为0.85cm。
由此可以看出超声波的精度增长了100%。
而且超声波频率的增长不但可以增加精度，还会产生一个副作用，也就是超声波波束之间会相互干涉，科学的说法是会产生超声副瓣[6]，产生测量盲区。
此时面临一个选择问题，即要测量精度还是要测量距离？
因为超声波的频率越高，精度越高但是由于能量衰减快无法保证测量距离；
如果选取超声波的频率过低虽然传播距离长了不过由于频率过低引起的环境干涉会导致测量精度的不理想。
图2.2超声波波束叠加图
中国是世界上领土第三大国，南北两端相距5500多公里，东西两端相距5200多公里，横跨5个时区，从热带到温带冬季（1月）平均最低温度零下30摄氏度，最高温度零上20以上温差变化极大，因此泊车辅助系统的设计需要考虑温度对超声波测距精度的影响。
经过科学家大量的实验和测量，科学家们测出声波在20摄氏度的空气中传播速度是344米/秒，而当温度降低至15摄氏度时，则声波在空气中的传播速度降低至340米/秒[7]。
我们可以看出，温度对我们要求的精度影响非常大，如表所示
表2.1温度对声速的影响
温度
声速
-30℃
313.3M/S
10℃
337.6M/S
-20℃
319.9M/S
20℃
344.0M/S
-10℃
325.5M/S
30℃
349.1M/S
温度与速度的关系可以用C=331.45+0.61T表示。
C为音速，表达声速的公式
（2.5）
r为气体的绝热体积系数（1.4），P为大气压强（1X105pa），P0为气体密度（1.29kg/m3）。
质量为m，体积为V，则密度P0应为m/V，上式化作
对于理想气体
PV=RT（2.6）
R为摩尔气体常数，T为绝对温度，则C
，r，R，m均为已知数，所以C（声速）仅与T（温度）有关。
在0摄氏度的空气中C0=331.45m/s，任意温度下的速度由表达式
Ci/C0=
（2.7）
超声波在理想条件下空气中的传播速度为
v=331.45X
（m/s）（2.8）
此外，声波在空气传播时，还会有衰减，衰减的分类和成因如下[8]：
（1）.吸收衰减，波动形式的力学能量不断转换为其他种类的能量，在大多数的情况下，转换为热能，这种类型的声波衰减现象，成为声波的吸收衰减。
吸收衰减涉及到媒质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程。
（2）.散射衰减，声波在一种媒质中传播时，因碰到由另外一种媒质组成的障碍物而向不同方向产生散射，从而导致声波减弱的现象，统称为散射衰减。
（3）.扩散衰减，扩散衰减主要是考虑声波传播中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱。
三种衰减中，扩散衰减仅仅取决于声源辐射的波形及声束状况。
而与媒质的性质无关，散射衰减除了与媒质的性质、状况有关外，又与障碍物的性质、形状、尺寸有关，故此在空气中传播的超声波，可定性研究的衰减为吸收衰减。
在讨论吸收衰减之前，先介绍一个声学中常用来描述声学问题的声学量—声压。
由于声波的存在，使介质产生压力的变化，声场中某一点在某一时刻的压强与声波不存在时同一点的静压强之间的差值即为声压。
声压的单位是Pa。
声压是用来描述声学物理过程的基本量。
例如微风轻轻吹动树叶时声压约为一在房间中大声讲话距离米处时的声压约为靠近飞机几米处发动机的声音可达几百。
声学理论证明，吸收衰减遵从指数衰减规律，声压随传播距离s的变化为P=P0e-ax，衰减系数α的表达式为：
α=Asf2。
As是一个和频率无关的常数，其值取决于介质的粘性和热传导等物理性质[9]。
由式可见，振动的频率越高，声波在空气中的衰减就会越快，同时传播的距离就会越短。
但如果超声波的频率过低，就会像普通声波一样呈现四面八方的传播特性。
频率为40赫兹的超声波在空气中传播的效率最佳，故本设计采用的超声波频率为40赫兹。
3系统硬件的设计
作为泊车辅助系统要实现的基本功能有：
（1）、能够有效测量的距离范围:
20厘米至500厘米
（2）、所测距离误差应小于5%
（3）、在LCD1602显示屏上实时的显示障碍物距离车辆后保险杠的最小距离及货厢侧面与障碍物的最小距离。
（4）、当最近的障碍物距离车辆尾部小于1.5米时，蜂鸣器发出报警声音。
（5）、所需电源:
5V直流
（6）、温度补偿功能
泊车辅助系统硬件框图如下图所示
图3.1系统结构框图
3.1系统主控部分
本系统处理器使用意法半导体公司的STM32芯片作为处理器，意法半导体公司始建于1988年是意大利SGS公司跟法国的Thomson公司合并而成的是世界上最大的半导体公司。
此公司在国内外均享有盛名产品质量优秀功能强大，因此选取此公司的芯片作为本系统的处理器[10]。
具体型号选取为STM32F103C8T6选取说明如下表所示
表3.1单片机命名规则表
1
STM32
表示ARMCortex-M内核的32位处理器
2
F
表示芯片系列
3
103
表示增强型芯片
4
C
表示引脚数48个
5
8
表示64K内存
6
T
表示LQFP封装
7
表示工作环境温度-40度——85度
选取这款处理器有以下几方面的考虑
（1）能耗低，此处理器有3种工作模式休眠，停机和待机。
在系统不启动是可以待机或休眠降低耗电量。
（2）功能强，此处理器集成了10个定时器13个通信接口12位D/A转换器，易于完成各种项目。
（3）速度快，此处理器主频72M赫兹，处理数据以微秒计算。
大大提高了整个系统的效率。
（4）体积小，此处理器体积大约是指甲盖儿大小，减小了整个系统的体积有利于泊车辅助系统的小型化。
图3.2系统主控电路图
3.2系统信号采集部分
本泊车辅助系统用到传感器的部分是测距模块和测温模块，超声波测距模块选取的超声波探头的型号是收发分体的TCT40-16T/R
表3.2探头命名规则表
TC
压电陶瓷超声换能器
通用型
40
频率40K赫兹
16
外径
发射探头
R
接受探头
该型号的超声波雷达发射装置发射的超声波主频是40K赫兹，误差±
1K赫兹。
其检测有效范围如图所示
图3.4超声波雷达监测范围图
由于本设计所采用的超声波探头为分体式设计（发射模块和接受模块），该设计采用红外接收芯片CX20106以及超声波接收探头CSB40R等构成超声波接收电路模块[11]。
图3.5超声波原理图
要想知道当前环境下，超声波在空气中传播的速度，需要测得环[境的温度，故系统中需要设置测温模块以得到环境温度，从而确定准确的声速。
测温模块选取的设备是DS18B20。
每个DS18B20片内都含有一个64位的ROM，其
升级会员 