许卫东汽车倒车防撞雷达系统的设计7Word下载.docx
《许卫东汽车倒车防撞雷达系统的设计7Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《许卫东汽车倒车防撞雷达系统的设计7Word下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
红外测距属于电磁波的一种，超声波是声波测距，实现起来更易且不受电磁干扰阻碍。
红别传播速度为3×
108州s，超声波在空气中的传播速度为340I∥s，其速度相对电磁波是超级慢的，因此在一样距离的情形下，超声波的传播时刻远大于红外，来回时刻更易测量。
超声波在测距方面具有以下突出的优势：
（1）环境介质可为空气、液体或固体等，适用范围普遍；
（2）对外界光线和电磁场不灵敏，可用于黑暗、有尘埃或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中，能够降低劳动强度；
（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处置简单靠得住，易于小型化和集成化；
由于超声波具有以上特点被普遍应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。
在超声波探伤、自动停车系统和倒车雷达系统中，超声波测距有其重要的应用。
随着科学技术的进展，超声波测距技术在国防、汽车工业及日常生活中无处不在。
目前超声波测距系统主若是采纳微处置器为核心，利用微处置器内部的计时器计时，并结合温度补偿声速等处置手腕提高测距精度。
但由于超声波传播时刻难于精准捕捉，温度对声速的阻碍等缘故，使得超声波测距的精度受到了专门大的阻碍，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
由于微处置计时精度有限和硬件设计的束缚，现有超声波测距系统在测量范围为O．2m也Om的范围内，测量误差多为111In级，20cm以下大体为系统的测量盲区。
现有超声波测距系统不仅测量范围有限制，且测量精度有限。
超声波测距仪尽管原理简单，可是由于超声波测距受到许多外界因素制约，包括所测的超声波传播时刻和超声波在介质中的传播速度j环境温度等等，如何选择适合的方式提高精度是技术开发的重要瓶颈，国内外的学者在提精湛声波测距精度方面做了大量的研究。
面对广漠的市场空间和日趋苛刻的测量要求，如何提高适用范围和测距精度就成了当前超声波测距设备开发的关键所在。
超声波测距领域的历史和国内外进展状况
一样以为，关于超声波的研究最初起始于1876年F．Galton的气哨实验，这是人类第一次有效产生的高频声波。
在以后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于那时电子技术进展缓慢，对超声波的研究造成了必然程度的阻碍。
在第一次世界大战中，对超声波的研究慢慢受到重视。
法国人LaIlgeVin利用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。
他提出的这种方式能够用来检测水中是不是存在潜艇并进行水下通信。
1929年，Sokolov第一提出用超声波探查金属物内部缺点的建谢51。
相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方式的德国专利，只是他并未做更多的工作。
4年以后，1934年Sok010v第一次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物实验的结果，他用了各类方式做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方式观看液体表面由超声波形成的波纹。
德国人B哪蛐锄在他的论著《ULTRASONIC》中，详细的论述了有关超声波的大量初期资料，该论著一直被以为是该领域的经典之作。
美国的Firestone和英国的Sproule第一次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术进展到了更重要的时期。
在各类系统中，这是最成功的一种，因为它有最普遍的通用性，其检测结果也最容易说明。
这种方式除可用于手工检测外，还可与采纳先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，依照相同的原理，有无数种其他仪器取得了进展，并有许多改良和精化。
目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是利用最为普遍的一种。
HuaHong，wallgYon论述了其所研究的一种调幅持续超声波大范围动态测距系统。
该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅持续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。
文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。
实验结果说明，该系统在15m的测距精度可达到lnHn。
中国测试技术研究所的李茂山在《超声波测距原理及实践技术》中论述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所花费时刻的超声波测距原理。
文中分析了声波的传输特性和阻碍声速的因素，给出了超声波测距的框图。
作者还进行了超声波测距误差源分析和超声波测距仪的查验。
浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统。
作者介绍了超声波料位测量的原理和超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计要紧分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处置电路、AT89c2051单片机操纵电路等。
作者还分析了造成料位测量误差的几点缘故，并给出了几种方式来减少测量误差。
比如：
在计数电路设计中，采纳了“延迟接收，信号分离"
的技术和相关计数法减小了计数误差，关于声速的测量误差，利用温度补偿法，在软件设计中采纳了查表的方式，由单片机实现自动补偿校正。
文中的一些方式关于设计超声波测量系统来讲具有必然的参考价值。
声速的测量在超声波测距中对提精湛声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的阻碍最大，因此需要对其进行补偿。
中国海洋大学的曹玉华在《超声波测距系统设计及其在机械人模糊避障中的应用》提出了采纳温度补偿的方式测量声速，来提精湛声波测距精度。
文中温度检测部份采纳了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DSl8820测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度转变对距离测量精度的阻碍。
该超声波测距装置在1．5m的测量范围内，测量误差小于5cm
山东科技大学的王红梅在《高分辨力超声测距系统的研究》中研究了已有超声波测距系统的优缺点，采纳超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方式提精湛声波测距精度，并利用了温度补偿声速的方式进一步提高了系统精度。
为了提高仪器的分辨力，还采纳了假设干方式来减小随机误差。
本文所设计的超声波测距系统在测量范围lcm～lOcm，精度可达到O．5％，分辨率优于0．1mm。
汽车倒车雷达预警系统国内外研究现状
倒车雷达在车挂倒挡时开始工作，由探头、主机和显示器三部份组成，探头能够依照需要安装不同的数量，目前比较常见的是4探头（安装于后保险杠上）和6探头（2前4后）的；
除一样的放置位置外，显示器也能够替代原先的后视镜并兼顾这两种功能，它能够显示多种信息。
例如障碍物相关于车的距离、角度和车内外温度等（视雷达档次而定）。
以4探头液晶显示屏的豪迪倒车雷达为例，它最远能够探测到1．96m外的障碍物，并能够显示出是由哪个探头探测到的，若是两个探头同时探测到障碍物，那么会以离车最近的障碍物为准，有些显示器上还带有“车载免提功能”，其内有扬声器和麦克风，能够进行录音和放音。
倒车雷达的提示方式也能够分为数码显示、声音提示和语音提示等，以博视雷达为例，其背光可通过三色变换来警告紧危急程度，声音提示那么会通过急促程度的不同告知驾驶员及时停车．有些雷达还专门为喜爱安静的驾驶员设置了静音开关。
倒车雷达的接收方式呵以分为有线式和无线式两种，无线接收方式显然更省事，没必要“走线”而拆装车内的原有装饰，也不受车型、车长等因素的阻碍，其价钱自然也略高些。
国外汽车倒车雷达预警系统初期大多采纳红外线的发射与接收原理，不属于雷达（无线电波）的产品，最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳固的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反映也较差。
但更糟糕的是，不管是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。
最近在欧美显现的一种电磁感应倒车雷达。
在一线路套上一环型的感应圈（此线圈贴在后保险杠的内侧，车外表完全看不出有此装置），以感应车后物体的有无。
此种装置价钱中等，而且完全隐密，但可惜的是，安装困难（必需卸下保险杠贴在内侧），而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，那么任何物体都不被认可。
换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并非会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。
德国公共公司已经将超声波测距技术应用在倒车雷达上，而且具有前视和后视功能，采纳自举升压的方式驱动8路超声波传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成品安装。
因此，有效性也相当有限。
日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采纳先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高级微机等制成平安预警系统，利用在其所开发的高级汽车上。
据海外媒体报导，戴姆勒一克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车（尤指卡车）利用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观看周围环境，并将所有搜集的信息交由一操纵器加上处置，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判定所发生状况是不是需要利用刹车。
以后两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价钱昂贵，其太高的本钱限制了它应用的普遍性。
随着我国汽车产业的高速进展，近两三年我国开始进入私家车时期，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的平安性，倒车雷达预警系统不仅深受驾驶员的青睐，也慢慢成为汽车电子产业中新的增加点。
尤其是近两年来，倒车雷达到了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，处在我国汽车电子行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派猛烈竞争的态势。
倒车雷达系统经历了三个时期，六代的技术改良，从初期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，进展到依照距离远近程度分段报警，前两个时期的倒车雷达一样采纳专用集成电路，功能较简单。
随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，和单片机价钱不断下降和汽车电子系统网络化进展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。
要求倒车雷达持续测距并显示障碍物距离，并采纳不同间歇呜叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。
汽车电子系统网络化进展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。
如最为先进的倒车雷达系统为“智能可视倒车雷达系统”，它在车尾部撞上针孔摄像头，倒车时能够在DVD显示屏上显示车后的广角真实图像。
在近日上市的由东风汽车乘用车公司推出的全新一代“蓝鸟智尊”，最引人注目的是它配备了倒车影像显示和NAVI卫星导航系统，这两项配置在同级别的轿车上可谓唯一无二，有效提升了蓝鸟的档次，直接将高级别汽车的智能化从“概念”引入了“应用”。
在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展现在驾驶者眼前，最大程度地址便停车，这项功能在夜间尤其具有价值。
而它的NAVI卫星导航系统，使同产成为继丰田以后又一个将GPS导航定位系统引入国内的厂家。
目前市场上的倒车雷达品牌可谓是种类繁多，有铁将军、北华三松、固地、博视、奇真、台湾俊邦、豪迪等几十种品牌，价钱也是几百、上千元不等，有些厂家还依照车型的不同，设计专用的倒车雷达。
本章小结
本文设计的防撞装置在结构上采纳微电脑技术和专用芯片设计，具有结构简单，小型化的特点，超级适合用于测控系统；
在软件设计上，突出模块的灵活性，而且C51语言简练，大大简化了编写程序的工作量。
比较此刻市场已有的防撞器，该结构紧凑性好、本钱低，靠得住性好，通信能力强，能有效地幸免汽车相撞事故的发生，具有必然的市场价值。
超声波测量距离是一种有效的非接触式测距方式，可普遍应用于各类需要测量距离或物位参数的场合。
专门是其具有高精度、无损、非接触等优势，超声波的应用变得愈来愈普及。
随着科学技术的不断进展超声波测距技术本身也在不断的完善和进展。
2超声波测距的大体理论
2.1超声波的定义
波是由某一点开始的扰动所引发的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。
声波是一种弹性机械波。
人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引发耳膜振动的反映，能引发人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波。
在超声波测距系统中，用脉冲鼓励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。
2．2超声波的物理特性
当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部份能量反射回原介质，称为反射波；
另一部份能量透射过度界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L为入射波，Sl为反射横波，Ll为反射纵波，k为折射纵波，S2为折射横波。
图2．1超声波的反射、折射及其波形转换
这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。
除有纵波的反射曲折射波之外，还有横波的反射和折射。
因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，因此空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。
在理想介质中，超声波的波动方程描述方式与电磁波是类似的。
‘描述简谐声波向X正方向传播的质点位移运动可表示为：
（2．1）
（）
式中，A（x）为振幅即质点的位移，舢为常数，
（1）为角频率，t为时刻，x为传播距离，k=2Ⅱ／入为波数，入为波长，口为衰减系数。
衰减系数与声波所在介质和频率关系：
式（2．3）中，a为介质常数，f为振动频率。
超声波的衰减
从理论上讲，超声波衰减要紧有三个方面：
（1）由声速扩展引发的衰减
在声波的传播进程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因
此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。
（2）由散射引发的衰减
由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶
粒的任意取向等均会致使整个材料声特性阻抗不均，从而引发声的散射。
被散射的超声
波在介质中沿着复杂的途径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。
（3）由介质的吸收引发的衰减
超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部
分声能转变成热能。
同时，由于介质的热传导，介质的浓密和稀疏部份之间进行热互换，从而致使声能的损耗，和由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。
扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。
关于大多数金属和固体介质来讲，通常所说的超声波的衰减，即p（衰减系数）表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。
因此，空气介质的衰减系数也由两部份组成，可由下式表
式中：
K：
热传导系数f．超声波频率
T1：
动力粘滞系数C：
超声波传播速度
Cv：
定容比热Cp：
定压比热
p：
传播介质密度
式（2．4）中第一项为哪一项由内摩擦引发的衰减系数，第二项是由热传导引发的衰减系
数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引发的超声波衰减的情形下，衰减系数可
以由下式表示：
把
带入（）式中可得：
由式（2．6）可知：
温度一按时，mp、T均必然，衰减系数与频率的平方成正比；
频率越高，·
衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。
在实际应用中，一样选30~100KHz的超声波进行距离测量，比较典型的频率为40KHz，本系统就选用频率f=40KHz的超声波的传感器。
超声波的波形
由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向能够相同也能够不同，这就
可产生不同类型的声波，超声波的波型要紧有以下几种。
（1）纵波
当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时，此种超声波为纵波波型，以L
表示。
任何介质，当其体积发生交替转变时均产生纵波。
由于纵波的产生和接收都较容
易，因此纵波在超声波检测中取得了普遍应用。
（2）横波
当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时，此种超声波为横波波型，以T
因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力，因此横波不能存在，只有纵波才能存
在，但在固体中纵波和横波都能存在。
（3）表面波
瑞利于1887年第一研究和证明了表面波的存在，因此称为瑞利波，用字母R表示。
表面波是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性的波。
其振动质点的轨迹为一椭
圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向，随着深度增加专门快衰减，离表面一个波长以上的地址，质点振动的振幅很微弱。
表面波的传播速度，
只与介质的弹性性质有关，与频率无关。
（4）板波
板波亦称拉姆波，板波只产生在大约一个波长的薄板内，在板的两表面和中部都有
质点的振动，声场遍及整个板的厚度。
薄板两表面的质点振动是纵波和横波成份之和，
运动轨迹为椭圆形，长轴于短轴的比例取决于材料的性质。
板波能够分为对称型和非对
称型两种。
超声波的传播速度
声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的传播速度，称为声速。
由声波产生的物理进程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并非把在各自平稳位置周围振动的媒质点传走。
某种媒质中的声速要紧取决于该媒质的密度和温度。
由于空气没有剪切弹性，只有体积弹性，因此气体中声波的传播形式只能是纵波。
也确实是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在各自平稳位置周围运动，形成浓密和稀疏依次交替的传递进程，而且质点运动的方向与声波传播的方向一致。
声波在相当大的频率范围内不随频率发生转变，也确实是说超声波的传播速度与可听
声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可
听声波并无质的区别，与一样声波相较，超声波具有更好的定向性，而且能够穿透不透
明物质。
在空气中超声波传播速度要紧与温度有关，在空气中的传播速度C为：
式中，T为环境温度。
超声波传感器
人们把产生超声波的核心部件称作超声波传感器，也叫超声波换能器，它是一种
既能够把电能转化为声能、又能够把声能转化为电能的装置。
超声波传感器的种类很多，依如实现超声波传感器机电转换的物理效应的不同可分为电动式、电磁式、磁滞式、压电式等。
有些单晶体和多晶陶瓷材料受到应力能在材料中产生电场，这种效应称为压电效应，这些材料称为压电材料。
目前压电式传感器的理论研究和实际应用最为普遍，本文超声波测距选用的是压电式收发分体超声波传感器T/R40-16，其特性如下：
（1）T/R40-16型号代码
T_发射；
R—同意：
40一中心频率：
16一外壳直径。
（2）T/R40-16结构图
本设计当选用讯40．16型超声波传感器，T/R40-16内部结构示用意如图22所示。
超声波传感器由压电晶片、锥形喇叭、底座、引线、金属外壳及屏蔽网组成。
其中，压
电晶片是传感器的核心，锥形喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有必然
的指向角，金属网可避免外界力量对压电晶片和锥形喇叭的损害，金属网也起爱惜作用，但不阻碍发射和接收超声波。
实物图如图2．3所示。
图2.2T／R40—16内部结构示用意
图2.3T／R40一16实物图
（3）频率特性曲线
图2．4声压电平特性曲线
图2，5灵敏度特性曲线
TR40／16超声波传感器的声压电平和灵敏度曲线如图2．4、2．5所示，从上图中能够得知，它的声压能级、灵敏度在40Ⅺ乜的时候最大，因此电路一样选用40KHz作为传
感器的利用频率。
3测距系统设计
测距系统的硬件设计
（1）固有频率正反馈发生器电路
在硬件电路结构上，很重要的一点是保证超声波发射频率与换能器固有频率的一致和稳固，不随时刻或因温度而漂移，同时也有利于超声波换能器发射能量的转换。
为达到那个目的，固有频率正反馈发生器电路是方法之一。
（2）换能器
只利用一个换能器也有利于达到那个目的，因为反射回的声波确实是它本身发射的声波，共振频率相同，压电效应最正确。
从电路结构讲，发射与接收切换器，使得一个换能器起到发射与接收的两个作用。
（3）线性电路
线性电路包括前置放大、噪音过滤、线性放大、整形电路。
将微弱的声发射和接收信号进行处置，使之能与单片机部份的后续电路相匹配。
（4）微机处置器（主AT89C52）
通过软件编程，使之能操纵系统的正常工作。
具体功能如下：
声发射操纵、报警距离级别选择、声光语音报警、车位距离显示、汽车和串口中断传送数据。
（5）显示部份
显示部份由从AT89C52和LED数码管组成，能将主AT89C52传过来的信号通过驱动传送给位于驾驶室的从AT89C52的串口，再点亮LED数码管，起提示作用。
测距系统的软件设计
软件设计采纳C语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行别离编程，以便移植或挪用，如此使软件层次结构清楚，有利于软件的调试修改。
4展望
近一年多的研究和探讨告一段落，由于本人的时刻和能力所限，关于倒车雷达预警系统的设计和研究和模糊操纵理论在该领域的应用，本文只是做了一些尝试性的探讨工作，还存在很多不完善的地址，仍有许多方面有待进一步深切研究：
（1）需要对超声波传感器和系统电路设计的靠得住性进行进一步的研究；
（2）本文关于倒车应用处景只讨论了一种常见情形，还有许多特殊情形未在本文的研究之内，仍有待进一步研究。
（3）需要改良模糊操纵算法，使之加倍适合于倒车雷达预警系统的应用；
（4）本文只对模糊操纵算法进行仿真分析，能够继续研究其他智能操纵算法在倒车雷达预警系统领域应用的可行性；
（5）就本课题而言，本文只对倒车进行了辅助决策，并末实现真正意义上的自动倒车操纵，尔后还应在操纵的实现上进一步深切的探讨，这种研究将对汽车主动防撞乃至自动驾驶产生深远的阻碍，是一个值得深切的方向。
结论
本课题的要紧研究内容是倒车雷达预警系统的设计和实现，和在其基础上引入模糊操纵理论，进行系统的运算机仿真，以验证系统的靠得住性和有效性。
倒车雷达预警系统主若是针对汽车倒车时人无法目测到车尾的障碍物体而设计开发的。
系统融合应用了运算机技术、超声波测距技术、操纵理论等多学科技术和理论，能够有效显示障碍物与汽车的距离，并依照其距离远近实时发出报警，解除驾驶员停车和起动车辆时前后左右探视所引发的困扰，提高驾驶的平安性，同时为汽车自动驾驶的研究应用奠定基础。
本文充分利用学科交叉优势，将模糊操纵算法引入到倒车雷达预警系统的设计应用中，要紧进行了以下几方面的工作：
（1）在了解测距技术实现原理和超声波传感器工作原理的基础上研究和分
析了系统设计方案，并对测距系统的的操纵参数和应用处景进行了分析。
（2）完成了倒车雷达预警系统的硬件选型和电路设计。
（3）完成了倒车雷达预警系统的软件设计和程序调试。
（4）对倒车雷达预警系统进行了测距实验和误差分析，并针对相关误差给出了软件修正方式。
（5）针对倒车应用处景，分析并选择模糊操纵设计方式，确信了模糊操纵规那么，利用MATLAB软件中的Simulink成立仿真操纵系统，完成了系统的仿真研究。
本文通过对倒车雷达预警系统的调试实验和运算机仿真研究取得如下结论：
（1）超声波测距
升级会员 