汽車倒車雷達的Simulink仿真測試

摘要:主要采用理論建模的方法，建立了汽車倒車雷達的仿真模型，在Matlab/Simulink軟件下實現了汽車倒車雷達的系統級仿真測試，仿真結果表明該數學模型準確度高，而且對可能引起系統誤差的參數做了分析，從而對我們在實際過程中的應用加以改進和完善。

關鍵詞:超聲波 測距 仿真

0 引言

倒車“后視”不良一直是困擾駕駛者的難題，如果我們給汽車裝個倒車雷達，就可以有效地避免由于倒車而造成的經濟損失和人身安全問題。倒車雷達的原理采用的是超聲波測距原理，在控制器的控制下，由傳感器發射超聲波信號，當遇到障礙物時，產生回波信號，傳感器接收到回波信號后經控制器進行數據處理、判斷有沒有障礙物，以及障礙物的距離、位置等，由顯示器顯示距離并發出警示信號，提醒司機能夠及時減速或剎車，這樣就提高了行車的安全性，減少了事故的發生。

本文在分析汽車倒車雷達原理的基礎上，給出了在Matlab/Simulink中實現超聲波測距方案的系統仿真框圖，利用設計的仿真模型對實際倒車時倒車雷達工作過程加以模擬，對可能引起系統誤差的參數做了分析，從而對我們在實際過程中的應用加以改進和完善。

1 測距原理

超聲波測距從原理上講有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法的測距原理最為簡單，在實際應用時設備成本較低，因而被廣泛應用于各種近距離超聲波測距系統中。

脈沖回波時間差法測距的原理，首先超聲波發射器向某一方向發射超聲波脈沖，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，若測得第一個回波達到的時間與發射脈沖間的時間差t，若采用的是發射接收一體的系統，則根據計時器記錄的時間t，就可計算出發射點距障礙物的距離s，即:s=vt/2 .這就是時間差測距法。

在測距系統中，超聲波是在氣體中傳播的，超聲波的傳播速度與溫度密切相關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的，一般取344m/s。如果測距精度要求很高，則可以通過溫度補償的方法加以校正。

2 倒車雷達的仿真電路設計

Matlab/Simulink軟件提供了一個動態系統的建模、仿真和分析的集成仿真環境，是由模塊庫、模型構造及指令分析和演示程序組成，是一個模塊化、模型化的系統動態仿真環境。Simulink是Matlab的一個分支產品，主要用來實現對工程問題的模型化和動態仿真。

2.1 系統結構框圖

超聲波倒車雷達測距系統工作原理是超聲波發射器一經發射超聲波，同步時鐘控制模塊就開始記時，發射的超聲波經過障礙物，會延遲一段時間，延遲的這段時間就是由障礙物處的預設距離決定的。接收器接收到回波信號經過判斷輸出給同步時鐘一個停止的信號，然后同步時鐘把從發射到接收所用的時間輸出到后級計算模塊，經過計算系統便會將所設定的這個距離正確地顯示出來。報警器在倒車過程中，指示燈會隨著距離的減小而由綠燈經過黃燈過渡，最后變為紅燈報警，提醒司機注意倒車距離，及時剎車或減速。

2.2 系統仿真 Simulink仿真時，40KHz超聲波發射器是用一個采樣信號經過壓控振蕩器來實現的，這樣發射的正弦波具有穩定性好，抗干擾性強的特點。在超聲波傳播過程中，空氣中有很多的雜質，因而會有很強的噪聲干擾。所以在仿真時超聲波發射器加一個邊帶的高斯白噪聲，設置噪聲的多種參數，以便在系統仿真時進行調整。

超聲波傳播過程中，由于能量的損失會有很大的衰減，其振幅隨傳播距離的增大而不斷減小，所以超聲波測距一般只能對近距離的物體進行測量。在仿真時，主要是對到達障礙物的超聲波進行幅度上的衰減和時間上的延遲。在障礙物這里預設一個距離，是為了把系統仿真的距離和預設的距離做一對比，以便測量系統的相對誤差和準確度。

超聲波接收器是一個判斷超聲波回波到來與否，以便將結果輸入到同步時鐘用來控制計數器停止計時的模塊。當超聲波經過障礙物到達接收器時，首先對回波進行放大，信號大于門限值，接收器確定回波到達并顯示1，并將1輸入到同步時鐘模塊，計數器停止工作，將計數結果輸入距離計算模塊進行計算。如果小于門限值，則證明回波還沒有到達，顯示超聲波接收裝置顯示0，計數器就不會停止工作。用一個門限值來判斷超聲波的到來，可避免直接以過0檢測脈沖回波到達時間，因干擾噪聲引起的測量誤差，同時還可以消除接收回波信號強弱不同造成的測量誤差。距離計算模塊是根據超聲波測距的距離計算公式s=v*t/2而設計的。首先在輸入端加了一個溫度-聲速子系統，所用到的聲速和溫度的函數式為v=，設置的工作溫度在-30到100℃之間，系統如果工作在這個范圍之外，溫度報警裝置就會報警。在仿真時將超聲波的速度與溫度表示出來，我們就可以得到系統在不同的溫度下所測量的距離值。

倒車過程中，測距系統會將所測量的距離值用數字顯示器顯示出來，但是報警裝置的紅綠燈及可以更直觀，更方便地提醒司機及時地剎車或減速。

2.3 系統精度分析 超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量，其測量精度一般是厘米數量級，但這樣的精度完全能達到實用的要求。在超聲波的傳播速度是精確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm。所以在倒車雷達上加上一個溫度修正系統就可以很大地提高測量精度。

3 仿真系統誤差因素分析

3.1 回波檢測對測量時間的影響 在超聲波從發射經過障礙物到接收的整個過程，其幅度會有很大的衰減，其衰減遵循指數規律，超聲波頻率越高，衰減越快。同時超聲波頻率過高會產生較多的副瓣，引起近場區的干涉。但是頻率越高，超聲波的指向性就越強，這一點對測距是有利的。

由于超聲回波隨距離的增加而變的十分微弱，所以在實際設計超聲波接收器時，要對回波進行較大倍數的放大，使得回波易于檢測。如果放大的倍數不夠大，測量回波時就會受到信道噪聲的影響，使得回波測量時間不準確，引起誤差。

3.2 同步時鐘控制對時間的影響 在同步時鐘控制模塊中，超聲波速度我們一般取344m/s，所以距離如果很小的話，超聲波傳播的時間也就會很短，例如距離從0.3m 變到0.4m時，時間的變化為0.00055s，在這個變化的時間內，計數器上顯示的計數個數不變，因此我們在實際應用時可通過提高計數脈沖的頻率的方法來減小誤差。

3.3 門限比較延遲對時間的影響 在檢測回波時另一個帶來誤差的原因是回波信號與門限值比較時，有一個很小的時間誤差，所以我們盡可能地將門限值取得比較小，這樣原理上滯后的時間就比較短，所引起的誤差就會縮小。

4 結束語

汽車倒車雷達是利用超聲波測距原理，不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，在一定距離范圍內給駕駛者以警示，提高汽車在倒車時的安全性。本文設計的倒車雷達仿真系統可以實現實時的超聲波測距仿真，并對系統的仿真結果做了誤差分析，從而對實際應用提供了參考價值。

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