汽车防撞系统概述.docx
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汽车防撞系统概述
摘要
随着社会的发展，经济的进步，越来越多的汽车涌上了街头，随之带来交通事故的增多。
因此汽车防撞系统受到了跟多人的重视。
而由毫米波雷达、激光雷达以及CCD立体视觉系统组成的汽车防撞系统因成本高而无法应用与普通的汽车。
超声波测距系统组成的汽车防撞系统，具有成本低、受外界影响小的优点，因此研究大作用距离超声波测距系统组成的汽车防撞系统具有十分重要的意义。
本文采用超声换能器组成的超声波测距系统设计实现汽车防撞系统。
整个系统包括超声波发射与接收系统，单片机控制器，LED显示部分，扫描驱动部分。
关键词：
汽车防撞系统超声换能器大作用距离测距系统
Abstract
Withthedevelopmentofsocialandeconomicprogress,anincreasingnumberofcarsappearonthestreets,whichbringmoreandmoretrafficaccidents.Asaresult,vehiclecollisionavoidancesystemsarepaidgreatattentionto.Butthevehiclecollisionavoidancesystemcomposedofmillimeter-waveradar,laserradarandCCDthree-dimensionalvisualsystemaretooexpensivetobeusedinordinarycars.ThevehiclecollisionavoidancesystemusingUltrasonicRanginghastwogreatadvantages,suchaslowcostandnotsubjecttooutsideinfluence.Sothestudyofvehiclecollisionavoidancesystemcomposedofultrasonicrangingsystemissignificant.
Inthispaper,thevehiclecollisionavoidancesystemcontainsultrasonicrangingsystemcomposedofultrasonictransducer.ThesystemconsistsofUltrasoniclaunchingandreceivingsystems,SCMcontroller,LEDdisplaypartandthescanningdriver.
Keywords:
AutomobilecollisionavoidancesystemUltrasonictransducerLargesensing-rangeDistancemeasurementsystem
第一章绪论
随着社会经济的发展，越来越多的人拥有了自己的私家车，越来越多的汽车涌上了公路，可随之而来的是交通事故也越来越多，不少人也因此谈车色变。
作为主动式车辆安全系统之一的车辆防碰撞系统受到国内外汽车研究人员的高度重视，也取得了很多成果。
防碰撞系统主要用在追尾碰撞系统、侧防系统、倒车雷达三个方面。
其中倒车雷达技术比较成熟，成本也比较低，在世界各地都有广泛的应用。
世界多个知名汽车制造商也都有成功的研究与应用，但是价格还比较高，未能在中、低档车中推广，还需要进一步完善、降低成本。
超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同振幅的低频声波，非接触式超声测距传感器正是利用超声波的这种特性而制成的。
在空气介质中，超声波测距传感器的性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，而且价格低廉、使用方便。
因此，在物位测量、车辆安全行驶辅助系统、机器人自动导航、无人作战平台、地形地貌探测乃至江河水位高度监测等许多领域，超声波测距传感器都得到了广泛的应用。
此外，由于超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。
为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器、探讨新的超声波信号处理方法，对于推动超声波换能器技术与超声波检测技术的发展，都具有十分重要的现实意义。
1.1研究背景与课题来源
随着世界各国汽车持有量的不断增加，车辆碰撞事故也随之增多，尤其在城市道路和高速公路上发生的交通事故更是与日俱增。
自适应汽车防碰撞技术和汽车主动防碰撞预警系统以及与此相关的测距技术正是在这种背景下提出的，并己经成为当前车辆工程和测控技术领域中关注的一个热点研究课题。
近十年来，欧美大汽车公司资助研制的汽车防碰撞装置，一般倾向于使用毫米波雷达作为车载前视测距传感器。
这是因为毫米波雷达能够探测远距离物体，使车载控制器有足够的时间来处理和利用感知信息，以防止车辆发生追尾碰撞或与前方障碍物发生碰撞。
然而，更多的碰撞事故是发生在车辆换道、拐弯或倒车的瞬间，而不仅仅局限在车辆向前高速行驶过程中。
这就要求汽车主动防碰撞系统具有识别车辆周边物体、提前预报险情或自动保持安全行驶距离的基本功能。
由于常见的超声波测距传感器的作用距离太短，只能用于探测近距离（l~5m）目标（如泊车或倒车防撞报警装置中的超声波探头），而不适合用于探测靠近车辆的周边物体（大于15m）。
为此，国外一些著名的汽车公司正计划在汽车上安装一种近程雷达，它最多可以感知车辆周边20m范围内的8个物体。
这种额外获取的路况信息，可用来启动汽车防碰撞系统，实时地估计车辆与周边物体的相对距离和速度，以判定是否存在行车事故危险，并及时地发出警告或采取必要的应急措施，以避免发生车辆碰撞事故或减轻车辆发生碰撞的后果。
但是，近程雷达的价格昂贵，限制了它在普通汽车上的推广应用。
因此，研制和开发具有高性价比的超声波测距传感器和目标探测系统，必将推动具有全方位探测功能的汽车主动防碰撞系统的发展与普遍应用。
同时，这种技术也可以推广应用于无人作战平台或现场机器人的目标自动识别系统。
1.1.1各类车载测距传感器及其性能
为了便于在后续章节中说明大量程超声波测距系统研究课题的应用价值和意义，首先必须了解当前车载测距传感器技术领域的研究状况与发展趋势。
下面，简要介绍常见的车载测距传感器的类型和技术指标，如表1-1所示。
一般来说，单一传感器的感知信息都有一定的局限性。
为了提高汽车主动防撞系统对周边物体的识别能力，需要引入多传感器信息融合技术，把分布在不同位置的多个传感器或不同类型传感器所提供的局部观测量加以融合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，以形成对周围环境相对一致的感知描述，从而确保汽车主动防碰撞系统能够可靠地运行。
例如，如果将车载前视毫米波雷达、双前视激光雷达、超声波传感器阵列以及CCD摄像机提供的信息进行融合处理，那么，在虚警概率一定的前提下，可以大大提高车载感知系统对移动目标的检测概率。
1.1.2课题的提出
鉴于目前国内小型化毫米波测距雷达的研制和试验还处于起步阶段，是以开发基于毫米波雷达的国产化汽车主动防撞系统的条件尚未成熟。
本课题的主要任务是研制大作用距离超声波传感器和大量程超声测距系统，用于探测距离车辆20m或更大范围内的周边物体，以取代价格昂贵的近程雷达。
表1-1常用车载测距传感器
类型
性能指标
用途
适用环境
价格
毫米波雷达
（体积小）
作用距离：
100m（美国）
150m（欧洲）
测距精度：
±0.5m（满量程）
测速范围：
±160km/h
测速误差：
≤1.5km/h
纵/横视角：
4°/8.8°
更新速度：
20Hz
前视测距测速
不受大雨，大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响；不能探测前方斜面物体
成本高
激光雷达
（体积小）
测距范围：
1~150m
测距准确度：
0.1m（满量程）
纵/横视角：
3°/6°
更新速率：
10~20Hz
前视测距
受环境变化影响大；对被测物体反射面的粗糙度和斜度有较高的要求。
成本较低
CCD立体
视觉系统
（像素640×480）
测距范围：
3~25m
测距准确度：
0.3m（满量程）
采样速率：
33帧/秒
周边测距
受光照，路面背景，粉尘，烟雾及雨雪天气等环境因素的影响大；可探测前方测斜面物体。
成本较高
超声波测距传感器
（体积小）
测距范围：
0.3~10m
测距精度：
±0.1m（满量程）
波束宽度：
10°
更新速率：
15Hz
后视测距
不受大雨，大雾和沙尘爆等恶劣气候环境影响；不能探测前方斜面物体。
成本低
超声波换能器的结构、超声波发射电路的机电能量转换效率和超声波接收器的信噪比以及超声波信号处理算法等因素，均对超声波传感器和超声波测距系统的性能产生影响。
因此，为了能够研制出频带宽、量程大（20~30m）、指向性好和响应速度高的超声波测距传感器和超声波测距系统，必须从以下四个方面采取措施：
其一、优化换能器的机械结构、发射电路和机电阻抗匹配参数，以提高超声波传感器的机电能量转换效率；其二、选择适当形式的压电振子，使其谐振频率尽可能地处于较低的频段上，以减小超声波传播过程中的能量衰减；其三、尽可能增大超声波换能器的辐射面积，采用恰当的声学阻抗匹配技术和特殊的换能器结构，以增强超声波换能器的指向性、拓展超声波传感器的工作频带；其四、设计低噪声、高阻抗超声波接收电路，并采用先进的数字信号处理方法，以提高超声波测距系统的处理增益和实时性。
解决上述问题涉及到机械、电子、声学和信息技术以及制造工艺等多学科知识的综合应用。
因此，超声波测距技术的任何进展，必将推动与之相关的技术和信息化装备系统的进步与发展。
1.2汽车防撞系统的现状
从上个世纪90年代以来，世界各国投入人量人力、物力从事汽车防撞系统的研究，目前已取得了显著的成果，开发了若干新产品，使汽车的行驶安全性人人提高。
汽车防撞系统是一种能向驾驶员预先发出视听警告信号的探测装置。
它安装在汽车上，能探测到接近车身的行人、车辆或周围的障碍物；能向驾驶员及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使驾驶员采取应急措施来应对特殊险情，从而避免损失。
通常，汽车防撞系统由多个传感器、天线、微处理器和数字式信号处理器组成。
传感器能向驾驶员提供车辆前、后、两侧及相邻车道可能发生意外事件的即时信息。
它采用固态砷化镓单片微波集成电路，能产生24000MHz的雷达信号，并采用调频连续波信号形式，这种信号形式不需要相对运动便可探测到目标。
同时，车上安装的每个传感器均能全天候工作，并均配置对应的目标指示信号灯和蜂鸣器。
这些传感器的电源来自控制显示装置。
该装置一般位于汽车仪表板附近，包括主电源开关和每个传感器的促动开关。
各车载传感器依据探测到的目标状况向驾驶员发出视听警告信号，即传感器一旦探测到人员或物体，黄色信号灯即开始频闪，同时蜂鸣器发出蜂鸣声报警。
灯光和声响的循环周期与车辆、人员及物体靠近车身的距离成比例。
微处理器对传感器的未处理回波信号进行整理和综合，并优化对入射信号检测的灵敏度和识别过程，指示灯和蜂鸣器根据其发送的指令向驾驶员提供指示。
数字信号处理器具有控制、自校准、输出和故障自诊断功能。
美国德尔科电子公司开发了多种汽车防撞装置可供实际使用。
在演示现场，德尔科电子公司的科技人员将前传感器安装在距离地面0.85m，车首大灯的两侧，它能扫描车辆前进路线上即将遇到的障碍物，其前方有效探测距离为28m，。
前传感器的窄波束能区别位于同一车道上的车辆和物体与相邻车道上或道路旁的车辆和物体，以避免虚假报警。
该公司的科技人员将侧传感器安装在后视镜和侧视镜难以观察到的盲区，其探测距离为4m，。
科技人员还把后传感器安装在演示车后部两边，其探测距离达7m。
这样，随着车辆一路行驶，实际上形成了一个车身外横宽8m、纵长35m，的安全区域，并且是动态的安全区域，故有利于驾驶员进行事先防范，对于在大雾等能见度低的条件下行车更显神通。
汽车防撞系统适用于各种车辆，优先用于救护车、公交车、旅游车、抢险车、公务用车及出租车等。
国外现已将汽车防撞系统用于学生接送专车，以保护其在行驶途中及驻车时的安全。
凡使用过汽车防撞系统的驾驶员均有这样的感觉，即能够方便地知道或观察到以往难以发现的盲区中的物体，做到心中有数，并能及时防范，从而能集中精力，以更多的时间和注意力注意来往车辆，并采取有效的安全防撞措施。
汽车防撞系统是高科技的产物，它将伴随微电子、光纤、红外技术的进步而得到新的发展。
汽车防撞系统未来的发展方向为：
·为满足高速行驶，进一步增大探测距离；
·降低成本和售价，供在用车改装和新车安装使用；
·与自动驾驶仪形成反馈系统，按时间响应，排除人为影响，正确保持车距或做出机动避让；
·向智能化方向进一步拓展。
1.3超声波测距系统
采用超声波传感器进行距离测量的方法很多，而应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波法，其工作原理是：
用超声频脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段ToF（称为射程时间），然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d，即
d=
（1-1）
式中，c为空气介质中声波的传播速度。
由式（l-1）可知，当传播介质的温度发生变化时，声的传播速度。
也随之改变。
因此，在超声波测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度，以补偿环境温度变化对测距精度的影响。
为了改善超声波测距系统的性能，仅仅从系统的硬件入手是不够的，还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。
为此，国、内外学者研究了许多特殊的超声波测距方法或时延估计算法，如可变阈值鉴幅法、互相关函数法、谱线分析法、相位检测法和自适应时延估计法等等。
在实际的超声波测距仪中，经常综合应用了多种测量算法。
当然，这些算法与超声波换能器的声学及电气特性是密切相关的。
下面，简要地评述这些信号处理算法的特点与应用范围。
1.3.1可变阈值与回波包络检波法
最简单的“过零”检测法，其工作过程如下：
1在控制器启动时钟计数器的同时，向外发出持续时间固定的超声频脉冲信号，换能器在该信号的激励下向外界发送超声波。
2如果在换能器的前方存在目标，则必有反射回来的超声波作用在换能器上，使之产生微弱的电信号，该信号经接收电路放大后，大于预先设定的门槛电压（或称为阈值），使比较器的输出信号变为高电平。
3该高电平信号使计数器终止计数，并使能与门，使微机可以在并行输入口上查询到终止计数信号，并读出时钟寄存器中的数值（即ToF）。
4根据式（1-1）计算出目标与换能器之间的距离。
顺便指出，换能器发送声波的持续时间的一半与声速的乘积，即为超声波测距仪的盲区。
由于回波信号的幅值与目标的距离成反比，目标与换能器之间的距离愈远，超声波接收电路的输出就愈小，相应的射程时间也就愈长。
因而，在超声波测距系统中，通常不采用固定阈值或增益的接收电路，而是采用时间-阈值可变或时间-增益可变的接收电路。
前者使阈值随射程时间的延长呈指数形式递减，后者使接收电路的放大倍数随射程时间的延长呈指数形式递增。
这样，只要适当调整指数函数的时间常数，就能保证在规定的量程范围内准确地测出目标的距离。
1.3.2基于互相关函数的时延估计法
在低信噪比和低采样速率下进行超声波测距，通常采用基于互相关函数的时延估计法。
其具体方法是：
将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。
若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器接收到的回波信号，根据相关峰值出现的时刻就可以计算出射程时间。
相关估计法（也称为匹配检测器）既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。
假如回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么，相关估计法的时延估计精度和灵敏度均高于阈值检测法。
1.3.3谱线分析法与自适应时延估计
谱线分析法是利用快速傅立叶变换（FFT）对回波信号进行谱分析，以确定是否存在与换能器所发送的超声波具有相同频谱的回波信号，并由此来判定回波信号的出现时刻。
在信噪比极低的条件下，采用谱分析算法来检测回波信号有助于降低虚警概率。
但谱分析算法的计算量大，且不容易获得较高的时延估计精度，故气介中的超声波测距很少应用这种算法。
1.4超声波测距与定位技术的发展概况
超声波测距与定位技术是声学与仪器科学交叉融合而形成的边缘技术学科，它主要研究如何利用超声波测距传感器来实现三维空间目标的定位问题。
由超声波换能器、超声波发射与接收电路、微计算机信息处理器等构成的超声波测距与定位系统，在工业、交通、国防等各个领域中得到了广泛的应用。
文献
是作者在美国奥克兰大学参加研制汽车防碰撞系统期间发表的论文。
在这些车载安全行驶辅助系统中，超声波探头主要用于感知车辆前、后、左、右的路况，以防止车辆转向或换道时发生意外的碰撞事故。
文献
分别是国内一些大学和研究机构研制的车载超声测距仪，其中，前视超声测距仪的探测范围小于10m，而后视和周边探视超声测距仪的探测距离最大不超过5m，这与前面提及的国外新型近程扫描雷达的探测范围（车辆周边20m以内）相差甚远。
由此可见，研发大作用距离超声波传感器是十分必要的，对未来国产化汽车防撞预警系统的开发进程必将起到积极的推动作用。
在现代快速施工中，特别是野战工事快速构筑作业，以往是依靠人工来控制机械手上的喷嘴与作业面之间的距离及喷射方向，这是一项既颇费体力又难以精确控制距离与方位的操作。
如何实现喷射机械手的智能化使其处于最佳的工作状态，也即如何应用高性能超声波传感器和喷射机械手来构成自动定位与控制系统，仍然是一个函待解决的国际难题。
附带指出，在超声波技术领域中，也存在一些挑战性很强的前沿探索性课题。
譬如，能否使用两束频率稍有差异的强超声波，利用其非线性效应，使之产生频率很低的差频信号与超声波一起传播，以得到指向性很强且衰减很慢的差频信号，这仍然有待于进行深入的理论探索与实验验证。
1.5主要研究工作及内容
第一章介绍近十年来汽车主动防碰撞系统、车载测距传感器的发展现状，简要介绍了超声波测距与定位技术在汽车防撞预警系统中的应用，并指出了声学理论与技术领域中的一些前沿课题。
最后，简要介绍了论文中各个章节的主要内容。
第二章研究超声波换能器的物理特性与技术。
研究设计了超声波发射电路的设计，主要包括推挽变换器的工作原理，以及推挽变换器的转换效率；超声波接收电路的设计，包括低噪声前端放大器，以及滤波放大电路与电源。
第三章对超声波测距算法进行了分析，重点研究超声波测距方法和大量程超声波测距系统的实现技术。
提出了基于PC机的超声波测距系统试验平台，以及超声波测距的信号处理算法。
第四章鉴于之前对超声波发射与接收电路的设计、对超声波测距系统的研究以及超声波测距算法的分析，设计出由超声波测距系统组成的汽车防撞系统。
设计包括系统硬件（系统硬件总体框图、超声波发射部分、超声波接收部分、单片机控制部分），系统软件，并对设计出的系统进行调试与优化。
第二章超声波发射与接收电路
2.1大作用距离超声波换能器
换能器的谐振频率、辐射面积、振子结构、声窗匹配层和背衬材料乃至制作工艺，都直接影响了超声波换能器的作用距离、指向性和频带宽度。
为了解决上述问题，本章对超声波的物理特性、换能器的振动模式、结构、制作工艺和声学阻抗匹配以及机电阻抗匹配等技术专题，展开全面而深入的理论与实验研究。
2.1.1超声波物理特性与换能器技术指标
超声波换能器技术的研究内容是：
综合考虑与换能器和介质相关的声学阻抗、声学结构、工程材料和振动模式等物理特性，应用阻抗匹配技术使之达到电能与声能之间的最佳转换，以满足工程实用需求。
现将声波的物理特性和超声换能器的主要性能指标介绍如下。
1．超声波的主要物理特性
超声波和一切波动一样，具有频率f、传播速度c与波长λ三个物理量，三者关系为
（2-1）
在不同的介质中，声速是不一样的。
超声波的频率范围在
之间，与声波相比，超声波具有如下显著的物理特性：
（1）束射特性超声波传播具有方向性和射线性。
在相同的辐射条件下，换能器的工作频率越高，其方向性越强。
声源发出的超声波，在一定方向上形成如图2-1所示的波束。
在离声源较近的一段，波束几乎平行，称为近场区。
在该区内声场分布较为复杂，其长度范围：
（2-2）
其中，L为近场长度，r换能器辐射面的半径。
在远离声源区，波束向四周稍有扩散，扩散声束与平行波束之间形成β角，称为半扩散角。
β角越小，能量越集中，方向性越强。
图2-1超声波声源近场的方向性
（2）射线特性超声波在直线传播过程中，当遇到两种声阻抗率不同的物质所形成的界面时，就会产生反射和折射（透射）现象。
超声波的反射和折射遵循几何光学规律。
两种交界面介质的声阻抗率差别愈大，反射愈强，透入第二种介质的声能就愈小。
在层状的两个平行反射界面中，声波可以来回反射多次，直至能量减弱至零为止。
2．超声波换能器的主要性能指标
对于超声波换能器，除了要确定其谐振频率和频响特性外，更重要的是要了解它的电一声转换特性和声辐射特性。
换能器的主要性能指标如下：
（1）工作频率f：
工作频率大多选取在换能器的机械共振频率附近，因而，换能器的工作频率一般是指换能器的机械共振频率。
（2）机电耦合系数K：
机电耦合系数K是表示压电换能器的机械能与电能之间耦合关系的一个重要参数。
因为压电振子的机械能与振子的形状、振动模式有关，所以振动模式不同，机电耦合系数也不同。
（3）换能器的阻抗特性：
根据换能器的等效机电六端网络图，每一端都具有一定的特性阻抗。
因此，要求换能器与发射电路末级（或接收电路初级）的阻抗相匹配。
此外，根据超声波的射线特性，还要求换能器与辐射声负载（或接收声负载）相匹配。
如何实现机电阻抗匹配和声学阻抗匹配技术，是研制超声波换能器必须解决的关键问题之一。
（4）换能器的频率特性：
换能器的频率特性是换能器的主要参数之一，它是指阻抗、声压和灵敏度等随频率变化的特性。
在实际应用中，通常希望超声波发射器在一定的频带内获得平坦的阻抗特性，以适应负载的变化，避免阻抗失配而导致电路发热、能量转换效率降低甚至损坏设备。
宽频带超声波接收器能够接收窄脉冲信号或余振时间短的波动信号，因而在声轴方向上具有极高的位移分辨力。
超声波换能器是用来实现电能与声能相互转换的装置。
通常，超声波换能器的机电能量转换效率低，严重影响了超声波换能器的作用距离。
为了解决这一问题，仅仅考虑改善换能器的机械结构与声学特性是不够的，还必须优化换能器的发射电路和接收电路的设计，以提高超声波发生器的有效发射功率和超声波接收器的信噪比。
2.2超声波发射电路的设计
超声波发生器是由超声波发射电路和超声波换能器构成的。
超声波发射电路（也称为驱动电源）根据其工作原理可以分为振荡一放大型和逆变型两类。
对于中、小功率且频率不是很高的超声波换能器，一般均采用振荡一放大型驱动电源，如图2-2所示。
本设计方案是采用它激式振荡器，以便于在较宽的频率范围内调节换能器的工作频率。
下面分别介绍驱动电源的各个组成部分。
图2-2振荡-放大型驱动电源
2.2.1推挽变换器的工作原理
图2-3是一种采用较多的超声波发生器驱动电源，其功率放大级是由MOS管推挽变换器构成的。
推挽变换器采用
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