基于超聲波測距的模擬自動跟車系統設計

李亞蘭

摘要：隨著ADAS技術研究的深入，自動跟車系統的設計成為研究的重點，而跟車過程中，跟車距離的實時調整性成為技術的難點。本文采用超聲波測距和程序PWM調整的方法實現跟車行進中的實時性。系統通過超聲波傳感器測量距離，L298N為電機驅動模塊，以單片機為控制器，實現跟車的速度和距離的精確控制，同時用LCD1602顯示當前的距離值。

關鍵詞：ADAS;自動跟車;超聲波測距

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0244-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著交通運輸業的發展，交通安全問題日益嚴重，將智能控制技術引入車載系統成為降低交通事故的一種重要手段，因此，汽車先進輔助駕駛系統[1]成為全球汽車電子研究的熱點，自動跟車技術則為該輔助駕駛系統的主要部分，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術，不受光線、霧霾以及被測對象顏色等因素的影響，在較惡劣的環境下具有很強的適應能力，因此文中的自動跟車設計采用超聲波傳感器測距，再通過所測距離自動調整與前車的距離和跟車的速度，形成一種閉環式的自動控制系統，達到不撞車、不丟車的跟車狀態。

1系統方案框圖

系統總體框圖如圖1所示，系統由MCU、L298N電機驅動、HC-SR04超聲波傳感器、LCD1602顯示屏、電源電路組成。超聲波傳感檢測本車與前車的實時距離，本文采用兩個超聲波模塊，分別放在小車的左前方和右前方;MCU發出測距指令、接受距離數據并進行數據處理，將測量結果轉換為PWM值輸出給電機驅動單元電路L298N，通過控制電動機的轉速達到控制小車加速、減速、轉向，并保持與前車的適當距離。LCD1602用于顯示小車的行進狀態參數。

2 超聲波測距算法

本文采用時間差測距法，即超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。

假設超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，定時器記錄的時間為T，發射點距障礙物的距離為S，則：

在設計中，采用兩個超聲波傳感器分別放在小車的左前方和右前方，若兩個超聲波檢測的距離一樣，即兩個超聲波的差值為0，就代表前面的小車是在直線行駛，若兩個超聲波的差值不為0，就代表前面的小車在進行轉彎，根據兩個超聲波之間檢測距離較小的值為依據，可以判斷前方小車的轉彎方向。

3 系統硬件設計

3.1測距單元電路設計

HC-SR04超聲波傳感器測距范圍為2cm-400cm，測距精度3mm。該傳感器共四個引腳，分別為，電源、地、TRIG、ECHO;給TRIG端10us的高電平信號，模塊自動發送頻率為40KHZ的8個脈沖，傳感器自動檢測是否有信號返回，通過ECHO端產生輸出指示信號，如果有收到返回信號則可輸出一個高電平給單片機，高電平持續的時間就是超聲波發射到返回的時間。

上圖中，R1，C3，R2構成單片機高電平復位電路，C1，C2，Y1構成單片機時鐘電路，HC-SR04第一腳為超聲波傳感器的TRIG信號，第三腳為超聲波傳感器的ECHO信號，在小車行進中，MCU通過P0.0輸出10微秒的高電平，HC-SR04發出8個脈沖，當傳感器收到返回的超聲波時，P0.1為高電平，通過定時器得到高電平對應的時間便可計算出所測距離值。

3.2驅動電路子系統電路設計

文中采用了兩個L298N芯片，分別控制小車兩邊的車輪電動機的驅動。L298N為雙H橋驅動芯片，驅動電流最大2A，提供最大功率20W，提供4路輸入信號，兩個使能端支持PWM調速，可以方便地控制直流電機速度和方向。

上圖中，電動機的驅動電壓為直流12V，IN1-IN4接單片機I/O口，高低電平分別對應OUT1-OUT4高低電平; OUT1，OUT2接電動機B，OUT3，OUT4接電動機A，OUT1和OUT2之間有電壓差即一個為高一個為低，電動機才轉動，OUT3，OUT4同理;通過控制IN1、IN2的極性可以實現電動機B的正反轉、停止狀態，從而實現車輪的前進、后退、停止動作;控制IN3、IN4的極性可以實現電動機A相應的狀態。

ENA和ENB分別連接來自MCU的PWM信號，當PWM占空比高時，則L298輸出的平均電壓高，電動機轉速則增高，反之則降低。

4 系統軟件設計

主程序主要完成系統初始化、跟車開始以及跟車過程中各子流程的調用;整個程序包含六個子程序，分別為顯示子程序，超聲波測距子程序，距離計算及前車狀態判斷子程序，跟車距離在設定的范圍內調整子程序，跟車距離在設定的范圍外調整子程序;如果與前車的距離在設定的范圍內則只需要通過PWM調整與前車的跟車方向，如果在范圍外則需要通過時調整與小車的方向和速度，圖中給出了如果距離在跟車范圍內的調整子程序流程。

5 結束語

本文設計并實現了基于超聲波測距的小車跟車系統，在后車與前車方向角度小于30度時能實現15厘米到10米范圍的自動跟車，但在彎道跟車時，如果保持3米/秒的速度，小車最多能實現45度彎度的自動跟車，如果要提高跟車的準確性，不丟車、不撞車，則可以對超聲波收發窗口進行機構的重新設計和處理，如增寬測量角度，或采用超聲波傳感器陣列[3]同時測量，優化軟件前后車方向判斷算法等。文中所設計的模擬自動跟車系統能較好地應用于ADAS系統中。

參考文獻：

[1] 張志強.ADAS的發展歷程及趨勢[J].內燃機配件，2019.

[2] 徐江海.單片機應用技術[M].北京： 機械工業出版社，2011.

[3] 辛喆，鄒若冰，李升波，俞佳瑩，戴一凡，陳海亮.基于超聲波傳感器陣列的車輛周圍目標物識別[J].清華大學學報（自然科學版），2017（12）.

【通聯編輯：光文玲】