基于超聲波傳感器陣列的轎車開門預(yù)警系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué)理學(xué)院傳感技術(shù)研究中心，北京市傳感器重點實驗室，教育部現(xiàn)代測控技術(shù)重點實驗室，北京 100101

關(guān)鍵字：智能交通；開門防撞預(yù)警；超聲波測距；傳感器陣列；數(shù)據(jù)處理算法

一、前言

隨著中國近幾年經(jīng)濟的發(fā)展，擁有小轎車的人口數(shù)量急劇上升，車輛交通安全的隱患系數(shù)隨之上升，其中小轎車駐停時乘員開門發(fā)生碰撞的事故也越來越頻繁。尤其是在一些三線及以下的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村地區(qū)，車上乘員缺乏安全意識，下車時很少觀察后方來車的情況，同時車輛自身在左后方就存在盲區(qū)，因此車輛左側(cè)乘員開門下車時很容易與后方來車發(fā)生碰撞事故。在已有的資料中，全國各個地方都會發(fā)生此類事故，例如：2015年1月29日一天北京市海淀區(qū)法院就受理了4起汽車停車開門引發(fā)的交通事故；2015年10月1 ～10日期間南京共發(fā)生了98起此類事故[1-2]。從這些數(shù)據(jù)可以看出，在交通安全意識還未普及的今天，除了加強交通安全知識宣傳外，一套可以有效預(yù)防此類事故發(fā)生的系統(tǒng)也迫在眉睫。

目前，國內(nèi)多個研究機構(gòu)和課題組已經(jīng)開始設(shè)計相關(guān)的車輛開門防撞預(yù)警系統(tǒng)，其中研究較多的技術(shù)主要為三種：

第一種，基于攝像頭成像技術(shù)，對車輛后方固定區(qū)域內(nèi)的物體進行探測，根據(jù)對比單位時間間隔內(nèi)拍攝的兩幅照片，計算出圖片中車輛的速度，之后進行判斷報警[3-4]，采用這種方式探測的范圍有限，精度差，成本高，易受環(huán)境影響；

第二種，由單個超聲波傳感器或激光傳感器及其結(jié)合組成的系統(tǒng)，利用傳感器單位時間內(nèi)接收到的信號轉(zhuǎn)化為車輛相關(guān)參數(shù)，進而進行判斷報警[5]。這種方式精度較高、成本低，但由于超聲波傳感器和激光傳感器都是單方向直線式探測，無法有效覆蓋所需監(jiān)測的區(qū)域，無法在實際中運用；

第三種，運用多普勒雷達技術(shù)，對車輛后方固定區(qū)域內(nèi)的物體進行探測[6-7]，該技術(shù)設(shè)計可靠性強、精確度高、魯棒性好，也是到目前為止最成熟的技術(shù)，但該技術(shù)成本相對較高，對車輛自身結(jié)構(gòu)改裝大，移植性弱。

借鑒以上研究的優(yōu)點，同時針對其不足，本研究根據(jù)有關(guān)法規(guī)建立了數(shù)學(xué)模型，確定需要監(jiān)測的區(qū)域，利用多個不同型號的超聲波測距傳感器[8-9]組成超聲波測距傳感器陣列，實現(xiàn)對該區(qū)域的準(zhǔn)確監(jiān)測，并設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，將傳感器陣列收集的信號轉(zhuǎn)化為所需要的車輛移動的瞬時速度，與閾值判斷后進行報警。該系統(tǒng)成本低、精度高、魯棒性強、探測范圍可根據(jù)實際情況改變、可移植性強。雖然超聲波測距傳感器測量的信號會受后方來車不同的形貌影響，但是其性價比高，有著很廣的市場前景和發(fā)展空間。

二、理論原理

1、數(shù)學(xué)模型建立

經(jīng)過前期大量的調(diào)研，統(tǒng)計出小轎車開門引發(fā)的相撞事故中，車門與后方轎車或汽車相撞的事故發(fā)生幾率很小，71.6%涉及電動車和輕便摩托車，26.3%涉及普通摩托車，2.1%涉及其他交通工具[10]。這是因為后方駛來轎車中，司機都會與前面停在路邊的車輛保持一定寬度的間隔，在水平距離上不會與其貼的很近，因而降低了與車門相撞的概率；而電動車及摩托車因為一般在馬路邊緣行駛，當(dāng)前面有汽車駐停時，很容易貼著汽車行駛，與車門相撞的概率較高。因此在以下建立的模型中，不再考慮轎車的行駛情況，而只考慮自行車、電動車以及摩托車。

根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》[11]中自行車、電動車以及摩托車的城市道路行使安全速度以及調(diào)研報告[10]的結(jié)果，本模型確定建模所需的計算數(shù)據(jù)。其中自行車行駛速度為15km/h，輕便摩托車及電動車行駛速度為30km/h，普通摩托車行駛速度為50km/h，三者速度最大值為50km/h。因為在城市交通中，普通摩托車行駛速度也不會超過30km/h，故取30km/h（8.33m/s）作為模型的臨界速度。

乘員下車開門時的橫向車門寬度一般不超過1.5m，故取橫向測量寬度為1.5m[8]；普通人的反應(yīng)時間為0.5s，正常情況下普通摩托車的制動距離為5m，自行車、輕便摩托車、電動車的制動距離一般小于摩托車，所以制動距離取最大值5m。

根據(jù)人的反應(yīng)時間以及后方來車的最大制動距離，可計算得到車輛后方所需測量的最大長度為：

式中，t—普通人的反應(yīng)時間；

v—模型的臨界速度；

S—后方來車的最大制動距離。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1）可得L=9.2m，故該模型需測量的范圍為車左后方寬1.5m，長9.2m，此處將長度作10m處理建立后續(xù)模型，測量范圍如圖1所示。

正常人的步行速度不超過1.2m/s，跑步的速度為2.7m/s，因為當(dāng)后方走來的是行人時或者當(dāng)后方存在靜止的物體時，小轎車開門不會出現(xiàn)危險，故將判斷危險的臨界值設(shè)定為1.5m/s，即當(dāng)后方移動物體速度大于1.5m/s時，系統(tǒng)判斷其會造成危險，故而進行報警。

2、超聲波測距傳感器陣列模型的建立

為了覆蓋小轎車左后方1.5m×10m的范圍，單個超聲波測距傳感器無法實現(xiàn)該功能，因此需要用多個不同型號的超聲波測距傳感器呈一定角度擺放測量不同的區(qū)域來實現(xiàn)覆蓋。同時又因為超聲波測距傳感器本身存在散射角度，且不同型號的超聲波測距傳感器性能不同，所以超聲波測距傳感器陣列的建立并非唯一。本模型的超聲波傳感器陣列的建立是基于三個量程的超聲波測距傳感器，其測量范圍分別是2.5m、10m、10m，散射角度都為1.5°。

圖2所示為三個傳感器擺放角度計算原理。其中，測量區(qū)域長度L=10m，寬度W=1.5m。

1號超聲波測距傳感器，量程a=10m，方向與車身縱向一致，用于監(jiān)測中遠端上半?yún)^(qū)域。1號傳感器存在散射角β1=1.5°，因此在實際安裝時向監(jiān)測區(qū)域內(nèi)偏轉(zhuǎn)β1，即其水平偏轉(zhuǎn)角度α1=1.5°，其水平測量長度L1=10cos1.5°≈10.0m。

2號超聲波測距傳感器，量程b=10m，用于監(jiān)測中、遠端下部區(qū)域。為保證2號傳感器所監(jiān)測的范圍最大，且確保物體在后方區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測，將2號傳感器沿區(qū)域?qū)蔷€擺放。則2號超聲傳感器的擺放角度及水平測量長度為：

式中，α2—2號超聲傳感器的水平偏轉(zhuǎn)角度；

W—系統(tǒng)測量范圍的寬度；

L—系統(tǒng)測量范圍的長度；

L2—2號超聲傳感器的水平測量長度；

b—2號超聲傳感器的測量距離。

則2號傳感器與1號傳感器安裝的相鄰間隔角度為：

式中，α1—1號超聲傳感器的水平偏轉(zhuǎn)角度。

由于1號、2號傳感器量程相對較大，更適合于監(jiān)測遠端和中端的范圍，同時如圖2的示意圖中所展示，監(jiān)測區(qū)域下方的半三角區(qū)域存在盲區(qū)，因此還需增加一個近程的3號超聲波測距傳感器來對下方半三角近端區(qū)域進行監(jiān)測。

3號傳感器取量程c=2.5m。為使3號超聲波測距傳感器所能監(jiān)測到的下三角近端區(qū)域在保證最大的情況下盡量靠近車門端，需要根據(jù)3號超聲波測距傳感器的測量距離及監(jiān)測區(qū)域的橫向?qū)挾葋磉M行計算，則3號傳感器擺放角度及水平測量長度為：

式中，α3—3號超聲傳感器的水平偏轉(zhuǎn)角度；

c—3號超聲傳感器測量距離；

L3—3號超聲傳感器的水平測量長度。

3號傳感器與2號傳感器的相鄰間隔角度為：

綜上，3個超聲波測距傳感器通過不同的間隔角度進行安裝，1號傳感器主要監(jiān)測后方區(qū)域的上三角頂端0～10m的范圍，2號傳感器主要監(jiān)測后方區(qū)域沿對角線輻射的0～9.89m的范圍，3號傳感器主要監(jiān)測后方區(qū)域下三角近端0～2m內(nèi)的范圍。假設(shè)后方來車寬度為0.5m，則三個傳感器能夠監(jiān)測的區(qū)域大致如圖2中陰影示意。

在整個探測區(qū)內(nèi)，仍會存在兩個盲區(qū)，即圖2中所示的P1和P2的區(qū)域，即在系統(tǒng)啟動時，在這兩個區(qū)域內(nèi)如果存在車輛，或者有車輛橫向進入這個區(qū)域，傳感器陣列無法第一時間探測到。對于P1盲區(qū)，系統(tǒng)目前無法很好解決，只能盡量減少面積。對于P2盲區(qū)，只要車輛向前運行通過3號傳感器，就可以被探測得到，但是可能存在探測時間不足的情況。以上兩個原因都有可能是導(dǎo)致后面的測試誤差。

根據(jù)建立的模型，建立系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。整個模型的尺寸為10cm×15cm×10cm，安裝在轎車的左后端。單片機以及各線路安裝在模型的內(nèi)部，三個傳感器分別安裝在模型表面3個固定端上，固定端的尺寸為4cm×2cm×1cm，圓口直徑為1.6cm。內(nèi)嵌的三個傳感器采用雙式測距傳感器，尺寸規(guī)格都為3.5cm×1.8cm×1cm，傳感器圓口直徑為1.5cm，通過左側(cè)圓形發(fā)射端發(fā)射超聲波，由右側(cè)圓形接收端接收超聲波。由于存在后期優(yōu)化的可能性，模型的尺寸大小可進一步減少，并根據(jù)車輛的不同特點進行調(diào)節(jié)。

為分析方便，以1號傳感器的中心點建立空間坐標(biāo)軸，其中，(-X) 向為超聲波發(fā)射方向，(-X)O(-Y)面為超聲監(jiān)測區(qū)域。由于三個傳感器在Z軸上的高度對(-X)O(-Y)面的監(jiān)測不影響，因此可不考慮高度影響。為了使三個傳感器之間形成一定的角度，且更容易進行加工處理，故將2號傳感器與Z軸間隔y2的距離，將3號傳感器與Z軸間隔y3的距離，有y2=4cm，y3=4+4=8cm，見圖3（b）。距離增加后對傳感器測量長度無影響，對實際的測量寬度有微小影響，2號傳感器為2.6%，3號傳感器為5.3%，見圖3（c）。

三、系統(tǒng)建立

1、系統(tǒng)的整體架構(gòu)

小轎車開門防撞預(yù)警系統(tǒng)包括壓力傳感器模塊、STM32單片機[12-14]、超聲波測距傳感器陣列、報警模塊和車鎖模塊。壓力傳感器模塊包括壓力傳感器和放大電路；報警模塊包括指示燈、語音模塊和喇叭。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2、系統(tǒng)的工作流程

壓力傳感器模塊安裝于小轎車左側(cè)車門把手上，當(dāng)有乘客下車按壓車門把手時，壓力傳感器接收到信號，在放大電路處理后傳給單片機，單片機啟動超聲波測距傳感器陣列。

超聲波測距傳感器陣列安裝于小轎車車身左后端車燈下側(cè)，它能監(jiān)測小轎車左后端1.5m×10m范圍內(nèi)物體與車相隔的距離，并將測得的數(shù)據(jù)傳回給單片機。

單片機安裝于小轎車內(nèi)部，當(dāng)超聲波測距傳感器陣列傳回后方物體與車相隔的距離參數(shù)時，單片機利用數(shù)據(jù)處理算法將多個數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)去除，保留有效數(shù)據(jù)，并將有效的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物體移動的實時速度，進而控制車鎖模塊和報警模塊。

車鎖模塊與小轎車車鎖裝置關(guān)聯(lián)，安裝于小轎車左側(cè)車門內(nèi)部。當(dāng)單片機判斷出后方移動物體速度大于1.5m/s時，控制車鎖模塊進行響應(yīng)，車鎖模塊立刻鎖上車門，防止乘客開門下車。

報警模塊中的指示燈、語音模塊及喇叭安裝于小轎車左車門內(nèi)側(cè)上方，當(dāng)單片機判斷出后方有移動物體速度大于1.5m/s時，控制指示燈變?yōu)榧t燈，同時控制語音模塊進行報警。

小轎車開門防撞預(yù)警系統(tǒng)的具體工作流程如圖5所示。

3、數(shù)據(jù)處理算法

由于超聲波測距傳感器陣列在單位時間內(nèi)會接收到大量的數(shù)據(jù)，其中存在部分無效數(shù)據(jù)，因此單片機必須利用數(shù)據(jù)處理算法將多個數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)去除，保留有效數(shù)據(jù)。超聲波傳感器陣列測得的數(shù)據(jù)經(jīng)運算求取水平值后分別存儲在三個數(shù)組SA[5]、SB[5]、SC[5]的通道中。模型中1號傳感器在水平方向上的測量距離為10m，2號傳感器為9.89m，三號傳感器為2.00m，故SA[5]通道中數(shù)值的區(qū)域范圍為：0～10m，SB[5]通道中數(shù)值的區(qū)域范圍為：0～9.89m，SC[5]通道中數(shù)值的區(qū)域范圍為：0～2.00m。數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)的即為有效數(shù)據(jù)，否則為無效數(shù)據(jù)可以剔除。

當(dāng)系統(tǒng)接收到5個數(shù)據(jù)及以上填充滿一個通道時，系統(tǒng)利用通道數(shù)組中的數(shù)據(jù)來計算后方物體移動的實時速度。以通道數(shù)組SA[5]為例，因為超聲波接收數(shù)據(jù)時間間隔為0.1s，當(dāng)系統(tǒng)滿足觸發(fā)條件后，則有：

該數(shù)組在0.5s內(nèi)可得到4個速度值，再將這4個速度值進行平均計算，即可得到物體近似的實時速度：

其他兩個通道的數(shù)值計算亦同理。三個通道在速度計算后，只要其中有一個達到危險條件，系統(tǒng)就會報警，車門上鎖，防止乘員下車。

四、系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)在白天和黑夜分別對行人、自行車、電動車和摩托車分別進行測試，其測試的范圍分為兩個部分，一部分測試小轎車左后方1.5m×10m的固定區(qū)域；考慮到后方車輛突然變道，第二部分測試移動的物體從區(qū)域外突然駛?cè)氲那闆r。由于超聲波在空氣中的傳輸不受光照、溫度的影響，故白天和黑夜測試得到的結(jié)果基本一致。

1、延遲時間

系統(tǒng)延遲時間分為主動延遲時間和被動延遲時間。主動延遲時間是為了有效利用超聲波傳感器陣列的性能來獲得數(shù)據(jù)，利用單片機程序延遲函數(shù)void delayms(unsigned int ms)來設(shè)置主動延遲時間；被動延遲時間是指單片機運行程序的算法處理時間。

單片機指令延時為ms級延時，此系統(tǒng)的控制程序void delayms(unsigned int ms) 中設(shè)初始單位延遲時間為10ms，基于此單片機控制超聲波傳感器陣列的主動延遲時間為100ms，滿足觸發(fā)判斷條件的主動延遲時間為：100÷0.625×5=800ms。

單片機的晶振頻率為11.0592MHz，其執(zhí)行一條指令機器指令的時間約為2μs，執(zhí)行一條乘除指令的時間為4μs，以此計算單片機算法處理時間（被動延遲時間）為1.668ms。

故系統(tǒng)總延遲時間為：

2、第一部分測試

在固定區(qū)域內(nèi)，分別對行人、自行車、電動車和摩托車進行了300次測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 固定區(qū)域內(nèi)的測試結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)我們可以看到，當(dāng)測量區(qū)域范圍內(nèi)存在物體或行人時，由于它們的速度小于1.5m/s，未達到系統(tǒng)規(guī)定的閾值，所以系統(tǒng)不會進行報警；當(dāng)測量區(qū)域范圍內(nèi)存在行駛的自行車、電動車和摩托車時，由于它們的速度大于1.5m/s，已經(jīng)超過系統(tǒng)規(guī)定的閾值，所以系統(tǒng)報警。

從系統(tǒng)報警的準(zhǔn)確度上分析，對于移動速度小于1.5m/s的物體，系統(tǒng)的判斷準(zhǔn)確度可以達到100%，這是因為處于此種情況下，超聲波測距傳感器陣列所接收到信號的距離變化不會存在太大差異，就算出現(xiàn)失真的信號也已經(jīng)被程序處理算法剔除，不會出現(xiàn)誤報的情況；而對于自行車、電動車和摩托車這些測試對象，由于超聲波測距傳感器陣列是通過超聲波來監(jiān)測物體，當(dāng)物體表面存在凹凸不平的情況或物體本身可以吸收超聲波時，這些情況會造成數(shù)據(jù)丟失，結(jié)果就導(dǎo)致了反射回去的超聲波信號出現(xiàn)偏差，故系統(tǒng)報警的準(zhǔn)確度也就下降。由于摩托車的體積（平面橫截面積）大于電動車，電動車的體積（平面橫截面積）大于自行車，所以摩托車反射的超聲波信號要大于電動車，電動車反射的超聲波信號大于自行車，所以這三者之間，摩托車的測量準(zhǔn)確度最高，自行車的測量準(zhǔn)確度最低。

3、第二部分測試

測試移動物體從區(qū)域外突然進入，分別對行人、自行車、電動車和摩托車進行了300次測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 突然進入?yún)^(qū)域內(nèi)的測試結(jié)果

在這種極端情況下，系統(tǒng)報警的準(zhǔn)確度明顯下降，這是因為物體從區(qū)域范圍外前半段橫向闖入進入時，不能保證在剩下行駛的距離內(nèi)讓超聲波測距傳感器陣列接收到足夠多的信號，因此會產(chǎn)生無法判斷其危險性的情況。

但是當(dāng)物體是從區(qū)域范圍的后半段進入時，仍有足夠長的距離可以讓超聲波測距傳感器陣列接收信號并做出反應(yīng)。由于物體移動的速度不一樣，故不同交通工具進入?yún)^(qū)域后報警失效的剩余距離長度也不同。大量測試后得到在有效報警的前提下，自行車、電動車和摩托車離小轎車的進入距離分別是3.5m，6.7m，6.7m，將系統(tǒng)的延遲時間與測試對象的測試速度相乘，可得到測試對象進入距離的報警最短距離理論值L=T×V，其理論值分別為3.34m，6.67m，6.67m，測試結(jié)果和理論結(jié)果基本一致。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)的研究屬于交通智能領(lǐng)域，在現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的狀態(tài)下，交通安全也被越來越多的人關(guān)注，并設(shè)法通過物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)來提高交通安全的系數(shù)。本系統(tǒng)利用超聲波測距傳感器陣列的性能特點和單片機程序處理算法較好實現(xiàn)了小轎車乘員下車提前預(yù)警的功能，同時系統(tǒng)的成本低，性價比高，適合商業(yè)化推廣。系統(tǒng)目前的設(shè)計是基于普通的小轎車，具有普適性，但是由于車鎖模塊涉及車輛本身的改裝，故在測試中只是利用繼電器進行模擬，在實際的使用中并不影響系統(tǒng)性能。

在后期的研發(fā)改進工作中，我們需要增強超聲波測距傳感器的性能，同時優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并改進數(shù)據(jù)處理算法，將系統(tǒng)報警的準(zhǔn)確率提高到98%以上，最后在多種復(fù)雜環(huán)境下進行性能測量，直到符合商品化標(biāo)準(zhǔn)。