電容式避障傳感器的數(shù)據(jù)處理

李廣柱，陳威兵，李 瑋，張剛林，蘇 鋼

(長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410022)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的家庭擁有了自己的汽車，汽車數(shù)量的增加，給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，由倒車引發(fā)的事故也越來(lái)越多[1].為此，在汽車上安裝避障傳感器日益受到重視.目前，車輛避障傳感器多采用超聲波技術(shù)[2].但由于超聲波無(wú)法穿透車架，在安裝時(shí)需要破壞車架，降低了汽車的安全防護(hù)性能.電容式避障傳感器、不需要破壞車架，具有安裝方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn).當(dāng)前，電容式傳感器多用于MEMS器件或高精度儀表[3-4]，車輛領(lǐng)域應(yīng)用的電容式傳感器以近距離探測(cè)為主，如汽車門(mén)禁控制等[5-10].本文將電容式傳感器應(yīng)用在車輛避障領(lǐng)域，研發(fā)得到成本低廉、性能可靠的電容式避障傳感器.

電容式避障傳感器的電容大小取決于車身與障礙物的遠(yuǎn)近，測(cè)量得到電容大小即可獲得障礙物的距離.通過(guò)把電容變化轉(zhuǎn)換成頻率變化的振蕩，測(cè)量振蕩的頻率實(shí)現(xiàn)電容的測(cè)量，針對(duì)電容-頻率轉(zhuǎn)換存在的缺點(diǎn)，本文提出了基于電容-電壓轉(zhuǎn)換的新型電容式避障傳感器[11]；在研制電容式避障傳感器的過(guò)程中，提出了低成本的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理算法；基于電容-頻率轉(zhuǎn)換的電容式避障傳感器說(shuō)明它的數(shù)據(jù)處理方法，這種數(shù)據(jù)處理方法也適用于電容-電壓轉(zhuǎn)換的電容式避障傳感器.

1 電容式避障傳感器原理與實(shí)現(xiàn)

1.1 電容式避障傳感器工作原理

基于電容-頻率轉(zhuǎn)換原理的電容式避障傳感器如圖 1所示.圖中采用金屬箔條作為電容式避障傳感器的一個(gè)電極，將它貼在車輛后方，和障礙物構(gòu)成一個(gè)電容器.

當(dāng)車輛后方?jīng)]有障礙物時(shí)，金屬箔條本身可視作單極平板電容，其電容值記為Cx0；倒車時(shí)，金屬箔條與障礙物構(gòu)成電容器，此時(shí)金屬箔條形成的總的分布電容為：

(1)

式中，εr為大氣的介電常數(shù)，S為金屬箔條與障礙物形成的分布電容的等效面積，d為金屬箔條與障礙物之間的距離.根據(jù)圖 1所示的電容式避障傳感器，利用金屬箔條形成的分布電容構(gòu)成振蕩電路，其振蕩頻率與電容相關(guān)，將振蕩波形整形成方波，經(jīng)分頻后送至信號(hào)處理器.

1.2 電容式避障傳感器的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)結(jié)合圖1介紹電容式避障傳感器的實(shí)現(xiàn).圖1中振蕩電路采用NE555實(shí)現(xiàn)，如圖2所示.

可知振蕩電路的輸出信號(hào)頻率滿足：

(2)

金屬箔條的等效電容Cx約為0.4nF，輸出信號(hào)頻率19kHz左右.NE555輸出信號(hào)經(jīng)SN74HC4020分頻64倍后，轉(zhuǎn)換為約300Hz的方波，輸入到信號(hào)處理器.信號(hào)處理器采用GD32F130單片機(jī)，采用輸入捕獲法實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的測(cè)量.

2 電容式避障傳感器數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在傳感器前沒(méi)有障礙物的情況下采集得到的一組頻率數(shù)據(jù)，如圖3所示.其中橫坐標(biāo)為采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，為了研究頻率數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采集了約67秒，共計(jì)20 000個(gè)數(shù)據(jù).圖3的縱坐標(biāo)是頻率，由圖可見(jiàn)信號(hào)的頻率約為298.93Hz，與式的計(jì)算結(jié)果吻合.

圖3顯示，在傳感器前沒(méi)有障礙物的情況下，采集到的頻率數(shù)據(jù)具有一定的測(cè)量噪聲.若記GD32F130單片機(jī)的工作頻率為f0，輸入捕獲法測(cè)頻的計(jì)數(shù)值為N，則可知：

(3)

(4)

式中,Δf0是f0的微分，表示單片機(jī)工作時(shí)鐘抖動(dòng)帶來(lái)的測(cè)頻誤差，鑒于單片機(jī)采用外部晶振，時(shí)鐘抖動(dòng)引起的測(cè)頻誤差可以忽略不計(jì).ΔN是計(jì)數(shù)誤差，包含兩個(gè)部分：

ΔN=e1+e2

(5)

式中,e1=±1，為單片機(jī)計(jì)數(shù)器引起的計(jì)數(shù)誤差；e2為圖2所示的振蕩電路引起的誤差.由于e1?e2，因此圖 3顯示的測(cè)量噪聲主要是由振蕩電路引起的.鑒于障礙物在靠近或遠(yuǎn)離時(shí)避障傳感器僅能產(chǎn)生0.3Hz左右的頻率差，圖3中黑色曲線的波動(dòng)范圍約0.15Hz，說(shuō)明觀測(cè)噪聲較大，需要進(jìn)行預(yù)處理才能應(yīng)用.

本文采用α-β濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其中：

(6)

式中,n為頻率數(shù)據(jù)序列的時(shí)間序號(hào)，T為數(shù)據(jù)的采樣間隔，對(duì)于電容式避障傳感器而言，數(shù)據(jù)的采樣間隔是不均勻的，這里采用的時(shí)間間隔為T(mén)=298.93-1，其中298.93Hz是頻率數(shù)據(jù)的平均值.由式(6)計(jì)算得到增益α和β，采用α-β濾波算法進(jìn)行處理，算法流程如下[12]：

(1)初始化頻率的預(yù)測(cè)值fe(1)和濾波值fi(1)，以及頻率變化率的預(yù)測(cè)值δfe(1)和濾波值δfi(1)：

(7)

(2)第n次觀測(cè)的預(yù)測(cè)處理.按式計(jì)算αn、βn后，根據(jù)第n-1次濾波值，計(jì)算得到第n次的預(yù)測(cè)：

(8)

(3)第n次觀測(cè)的濾波處理.利用式(8)計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值，計(jì)算得到第n次濾波值：

(9)

表1 α-β濾波處理前后數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

表1還給出了20點(diǎn)平滑處理的效果，即將頻率數(shù)據(jù)序列的前后共計(jì)20個(gè)數(shù)據(jù)做平均，相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)度為20的矩形窗FIR濾波.由表1可見(jiàn)，兩種處理方法對(duì)均值的改變可以忽略，相比之下，采用α-β濾波算法處理后，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差更小.

2.1 數(shù)據(jù)處理流程

若記無(wú)障礙物的時(shí)候，NE555的輸出信號(hào)頻率為f0，由式(2)可知：

(10)

記存在障礙物時(shí)的輸出頻率為f，綜合式(1)和式(9)可知：

(11)

式中，k=εr·S·163.5K/1.44，在實(shí)際操作的時(shí)候，通過(guò)標(biāo)定計(jì)算得到k的經(jīng)驗(yàn)值.另外，式中當(dāng)f很接近f0的時(shí)候，計(jì)算得到的距離誤差較大，在實(shí)際處理的時(shí)候，只有f

綜上所述，電容式避障傳感器處理流程如圖4所示.首先將輸入捕獲值轉(zhuǎn)換為輸入方波信號(hào)的實(shí)際頻率；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并與閾值比較，如果小于閾值，則計(jì)算距離，根據(jù)距離輸出告警信號(hào).

針對(duì)本文研制的樣機(jī)，在各種溫度和環(huán)境下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，同一臺(tái)樣機(jī)的檢測(cè)閾值基本不變，生產(chǎn)過(guò)程中可以針對(duì)每一臺(tái)傳感器標(biāo)定檢測(cè)閾值.考慮到實(shí)際情況復(fù)雜多變，檢測(cè)閾值可能會(huì)發(fā)生改變.圖4中預(yù)留“更新閾值”的功能，以期自適應(yīng)滿足各種環(huán)境下的應(yīng)用需求.

在計(jì)算得到距離后，電容式避障傳感器需將距離轉(zhuǎn)換為告警信號(hào)，告警信號(hào)分為三檔，滿足駕駛員提示需求.

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本文采用鋁箔，設(shè)計(jì)得到長(zhǎng)1m、寬20mm的金屬箔條，貼在紙板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，金屬箔條的照片如圖 5所示.

將金屬箔條固定在支架上即可進(jìn)行測(cè)試.把該實(shí)驗(yàn)裝置放置在空曠的區(qū)域，人在支架前0.2m至3m處來(lái)回走動(dòng)，通過(guò)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以測(cè)量到被測(cè)試人的距離如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s；縱坐標(biāo)為被測(cè)試人與傳感器之間的距離，單位為m.

測(cè)試開(kāi)始時(shí)，人處于3m處不動(dòng)，3s時(shí)開(kāi)始向傳感器接近，5s到達(dá)距離傳感器0.2m的位置，停下并返回，7s返回3m處停下.11s左右繼續(xù)從3m處開(kāi)始向傳感器接近，13s到達(dá)0.2m的位置，并停留1s后離開(kāi)傳感器，約第16s返回3m處.從圖 6可以看到，4～6s、12～15s有測(cè)量結(jié)果，其他時(shí)候由于測(cè)量得到的頻率沒(méi)有低于檢測(cè)閾值，所以圖6沒(méi)有給出測(cè)量結(jié)果.

4 小結(jié)

本文介紹了電容式避障傳感器的數(shù)據(jù)處理流程，提出采用α-β濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，同時(shí)給出了避障傳感器的處理流程.進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了數(shù)據(jù)處理方案的可行性.

在電容-頻率轉(zhuǎn)換式避障傳感器的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)傳感器的信號(hào)變換方式,將電容-頻率轉(zhuǎn)換改變?yōu)殡娙?電壓轉(zhuǎn)換，改善了電容式避障傳感器的性能，目前也已研制得到原理樣機(jī)，這種新型電容式避障傳感器亦可采用本文提出的數(shù)據(jù)處理方案.