基于超聲波的汽車并線輔助系統設計

羅文鈞 張留宇 劉炳川 周 俊

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲412007）

0 引言

隨著社會經濟的發展，人民生活水平日漸提高，越來越多的人擁有了汽車，然而伴隨著的卻是越來越多的交通事故。車輛碰撞事故主要分為車輛追尾、車輛并線角碰和車輛并線側刮三種。由于汽車后視鏡本身存在視覺盲區，以致駕駛員無法及時、準確地獲知后方車輛的動向，因此車輛并線側刮便成為兩車碰撞事故中最常見的一種。基于此現象，我們利用超聲波原理開發了一套完整的監控報警輔助系統。當駕駛員做出變道的動作時，系統開始檢測與相鄰車道后方車輛車距，一旦車距小于安全并線距離時，車輛將發出聲光報警提醒駕駛員，從而在一定程度上防止兩車發生碰撞。

1 汽車后視鏡盲區

根據光學原理，可以容易地計算出車輛后視鏡的視角，角度確定后就能按比例準確地畫出盲區。選擇一輛中等大小的乘用車，測量其鏡面寬度，曲面鏡的曲率半徑，眼睛到鏡子的縱向和橫向距離。駕駛員的座椅分別調到最前面、中間、最后面分別進行測量。后視鏡的視角如表1所示，表1中間位置的視角用來描繪平均身高駕駛員的視角[1]。

表1 雙目視角Table1 The binocular visual angle單位：（°）

2 超聲波傳感器及其測距原理

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器測距是一種非接觸式的測量方式，由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常被用于距離的測量。它不受被測對象的顏色、表面灰垢等影響，特別是能夠在黑暗的環境中完成測量任務。對環境有較強的適應能力，因此能夠較好的應用于汽車并線輔助系統的測量任務。

2.2 超聲波測距原理

超聲波測距的工作原理是利用超聲波發射器向某一個方向發送超聲波，同時開始計時，超聲波在空氣中傳播。當碰到物體時馬上返回。當超聲波接收器收到超聲波時立即停止計時。已知超聲波在空氣中傳播的速度為340m/s，由計時器記錄的時間t，并可計算發射點距離被測物體的距離S，即S=340t/2[2-4]。

3 系統硬件設計

3.1 系統的整體設計方案

系統的整體方框圖如圖1所示，系統硬件部分主要由STC12C5A60S2單片機系統、報警電路、超聲波發射與接收電路、電源電路四大部分構成。

系統原理：由STC12C5A60S2單片機控制超聲波傳感器。單片機通過P2.0、P2.1作為IIC通信的總線從超聲波收發模塊（KS103）中讀出相鄰車道后方車輛與本車的車距。單片機將讀取到的數據與預置的安全距離比較，判斷是否需要發出報警信號。

3.2 超聲波發射與接收模塊

本系統測距部分采用超聲波測距模塊（KS103)，此模塊具有實時溫度補償距離探測功能，大大降低了因環境溫度影響而帶來的測量誤差，探測范圍1cm-1000cm(10米)。KS103使用IIC總線與主機進行通信，自動響應主機的IIC控制命令，擴展對其他方向車輛的監視也簡單的多，以致占用單片機的資源和I/O口大大減少，KS103還具有探測頻率高、工作電壓寬、功耗低等特點。因此KS103能較好的應用于汽車并線輔助系統。

3.3 單片機控制電路

超聲波發射與接收模塊輸出的回響信號從單片機的INT0輸入由定時器來測量高電平時間（超聲波傳播的時間）。單片機利用時間計算出距離并與預置的安全距離進行比較,如果需要報警，單片機將通過P1.1和P1.2分別控制蜂鳴器發聲（距離越近音量越大）和紅色LED燈閃爍（距離越近亮度越大）[5]。

3.4 報警電路

報警電路部分主要由蜂鳴器和LED燈組成。硬件電路如圖2所示，在汽車并線的過程中，利用單片機產生一定頻率的方波信號來驅動蜂鳴器發聲和LED燈閃爍。當相鄰后方的車輛距離大于安全距離時，進行下次測量，不發報警信號。當相鄰后方的車輛距離大于安全距離（本系統設置安全距離為8m）時，發出報警信號并通過控制方波的頻率和占空比分別來控制蜂鳴器的音量和紅色LED燈的亮度，距離越近音量和亮度均越大[5]。

4 系統的軟件設計

汽車并線輔助系統根據超聲波測距原理，用STC12C5A60S2系列單片機開發設計。整個軟件部分采用前后臺多任務程序設計，由主程序、超聲波測距子程序、報警子程序等任務組成。

主程序流程圖如圖3所示。軟件設計的主體思路是采用前后臺任務模式，將測距和報警編成獨立任務的形式，每隔一定的時間運行一次。其他時間單片機進入低功耗模式，降低整個系統的功耗。單片機啟動并開始初始化配置，包括配置超聲波測距模塊的工作模式、定時器初始化配置。定時100ms則開始依次執行超聲波測距任務、報警任務。

超聲波測距子程序設計為進入該任務后并開始通過IIC通信讀取測距模塊中的數據、處理數據。再次發出探測指令。因為KS103在發送探測指令后要等待87ms，而下一次進入該任務是100ms以后，滿足等待時間的要求。這樣就比用delay();延時更加節約資源。

報警子程序設計為進入任務后將安全距離與探測距離作差，根據結果區分相鄰車道后方的車輛相對于本車的位置。從而判斷是否發出報警信號以及報警信號的音量和亮度。

5 小結

利用51系列單片機設計汽車并線輔助系統，系統簡單，測量準確，工作穩定。在本設計中采用超聲波測距模塊（KS103），帶溫度補償，精度高。采用IIC總線直接與主機進行通信，比用單片機直接計時測量的精度要高。但需要注意的是：超聲波測距模塊必須與汽車成20°左右的夾角，才能充分檢測盲區。然而，駕駛員必須注意，汽車并線輔助系統所起到的僅僅是輔助作用，仍然無法完全替代駕駛員作出判斷，即便安裝了并線輔助系統或者其他輔助系統，駕駛員仍然需要時刻保持安全意識，親自觀看兩側后視鏡以及觀察交通狀況[6]。

［1］吳佳林,孔軍.汽車后視鏡盲區及預測方法[J].武漢理工大學學報,2010（32）.

［2］肖質紅.超聲波測距在汽車安全系統中的應用[J].浙江萬里學院學報,2007（20）.

［3］麥錦文.超聲波技術在汽車防撞系統設計的應用[J].裝備制造技術,2010（6）.

［4］奠石鎂.超聲波測距在汽車倒車防撞系統中的應用[J]2007（1）.

［5］高川,談振藩.基于AT89C2051的超聲波測距系統[J].應用科技,2006（11）.

［6］陸明輝.奧迪Q7駕駛輔助系統之換道系統[J].汽車電器,2008（10）.