基于多源信息融合的倒車預警系統設計

王欠欠，馬俊，周恩帆,陳博行，方衛強

（青海師范大學物理與電子信息工程學院，青海西寧 810008）

在現代化、科技化、智能化的二十一世紀，人們的生活質量已經有了顯著的提高。在出行方面，交通擁擠、撞車、碾壓等事件時常發生，駕駛員要高度集中注意力，觀察各個方向的障礙物，稍不小心就會發生意外或造成財產損失。然而倒車后視能力不良往往會造成一些碰撞事故，這引起了大眾的普遍關注。文中設計為了能夠改善這種情況，減少事故的發生，使車輛具有良好后視能力，保障人民生命財產安全。文獻[1]在車輛檢測與識別過程的分析基礎上，設計了一種基于多視覺傳感器的泊車輔助系統，該系統通過利用車輛后攝像頭傳感器修正車位檢測精度，最終實現了準確又安全的泊車。文獻[2]以STM32F103 單片機作為主控核心，對外設的電機、超聲波、傳感器等模塊進行控制，設計智能消防小車系統。文獻[3]利用超聲波測距原理，設計了防撞的倒車預警系統，輔助駕駛員安全倒車。文獻[4]采用改進型超聲波測距傳感器和紅外光電傳感器采集外部障礙信息，使小車能夠在不同環境中實現自主循跡避障。文獻[5]通過不同寬度的脈沖控制舵機，帶動超聲波模塊實現不同方向障礙物距離的檢測，設計了超聲波避障智能小車。文中設計了一種基于多源信息融合的倒車預警系統，采用多個超聲波測距傳感器，以STC89C52 為核心處理器，對多源信息進行融合，對障礙物距離進行顯示判斷，并結合LCD 顯示、語音報警，蜂鳴器報警，實現了更高精度的避障。

1 設計原理

該設計采用的原理：利用STC89C52 為核心處理器、3 個超聲波測距傳感器、LCD 顯示屏、語音報警、蜂鳴器報警五大模塊，結合多個傳感器組成的多傳感器系統，從系統環境中收集障礙物的信息特征[6]。通過設計程序，使整個系統能夠完整穩定地運行。當遇到障礙物時，采用多個超聲波測距傳感器，測量不同方位的距離，通過超聲波測距傳感器采集的數據S1、S2、S3，結合來自多個來源的信息通過模數轉換，將模擬信號轉化為單片機可識別的數字信號，送入單片機，在單片機內進行融合算法處理，得到h1、h2、h3，然后與設計的閾值進行比較，進而根據處理結果進行不同形式的報警功能。當障礙物與車的距離h滿足30 cm ≤h<50 cm 時，循環播放“倒車請注意”的語音提示；當h<30 cm 時，蜂鳴器開始報警，提示已靠近障礙物邊緣，須即刻停車。同時實時在LCD 屏顯示距離，從而實現了多方位障礙物的監測，減少事故的發生，使車輛具有良好后視能力，從而保障人們的人身財產安全，設計原理如圖1 所示。

圖1 設計原理圖

2 系統的總體設計

圖2 為系統的總設計框圖，供電電路可以通過USB 口供給固定的電壓，將穩定的5 V 直流電源輸入系統。這種USB 的供電方式簡單安全、方便快捷。系統采用多個超聲波測距傳感器探測障礙物與車后方的距離，然后將其傳達給單片機。單片機將接收到的多個傳感器的數據信息進行處理、比較、融合，判斷該距離是否在安全距離范圍內，若未進入報警距離范圍內，即可繼續倒車，同時LCD 顯示與障礙物之間的距離數值；若達到報警距離范圍內，則執行報警模塊，報警模塊分為語音循環播放“倒車請注意”模塊和蜂鳴器報警模塊，同時在LCD 屏幕顯示數值大小。

3 硬件設計

3.1 超聲波測距模塊

文中選用的超聲波測距模塊為HC-SR04[7]，與其他測距模塊相比，測量距離的精確度較高，最高可為3 mm，探測不到的范圍為2 cm。HC-SR04 中有接收和發送模塊。利用三組超聲波組合在車尾形成扇形分布。其中S1、S2、S3對應于3 個方向上的超聲波測距傳感器所測的信號來回距離，θ為傳感器1 和傳感器3 發射的超聲波信號與障礙物所在直線形成的夾角。

超聲波測距傳感器的tx 端發射出的信號遇到障礙物，反射回來由rx 端接收傳給單片機，進而可以通過信號來回距離的一半得出與障礙物的距離d，即通過測量超聲波脈沖返回到超聲波傳感器的時間，可以準確地確定發射點到物體的距離。或者將時間的1/2 與空氣中超聲波的傳播速度相乘即可得到與物體間的距離d，然后在LCD 上顯示出實際的距離d。超聲波探頭與被測物之間的距離計算公式為：

圖3 超聲波測距模塊電路原理圖

其中，c=340 m/s，t為來回時間，s為來回距離。系統中設有定時模塊，通過定時器記錄開始到結束的時間，進而計算出信號的往返時間。單片機發出中斷請求，運行程序。

3 個不同角度的測距傳感器所測得的距離d，通過系統內部算法的處理，對傳感器數據源進行分析處理，對如何執行下一步做出決策[8-11]，所測距離與傳感器夾角的正弦值相乘得出高度h，即為判斷距離。計算公式為：

通過公式（2）可得出相對應的h1、h2、h3，將其與設定的閾值進行比較，若h滿足30 cm ≤h<50 cm，則語音循環播放“倒車請注意”，LCD 顯示距離；若h<30 cm，則蜂鳴器啟動報警功能，LCD 顯示距離。雙重報警，安全可靠。

3.2 語音、蜂鳴器報警模塊

報警電路元器件采用語音芯片和蜂鳴器，語音報警電路如圖4 所示，當障礙物與車的距離h滿足30 cm ≤h<50 cm 時，P3.1 引腳電平拉低，觸發語音芯片WT588D 發出“倒車請注意”提示，并在LCD 屏上顯示距離；當h<30 cm 時，開始蜂鳴器報警，同時在LCD 屏上顯示距離，提醒駕駛員已超過最終安全距離，須立刻停車。其電路原理圖如圖5 所示。

圖4 語音報警模塊電路原理圖

圖5 蜂鳴器報警模塊電路原理圖

電路的顯示模塊部分采用字符型顯示屏LCD1602，各個字符之間保持確定的字符間隔和行距，可顯示字母、數字及一些不常用的符號，其原理圖如圖6 所示。通過C 語言編程控制，與系統連接在一塊。實時顯示出車輛距離后方障礙物的距離，可達到實時監測的功能。顯示器的端口RW 連接STC89C52 的引腳P0.4，當電壓狀態是高電平時該端口運行。STC89C52 的引腳P0.3 與LCD 的使能端連接，使能端的電平跳變為低電平時，命令開始執行，數值會在顯示屏上顯示出來。

圖6 顯示模塊電路原理圖

3.3 系統原理圖

系統電路原理圖如圖7 所示，該系統選用STC89C52 為核心處理器[12]，該處理器是一種低功耗、高性能的CMOS 8 位微控制器，32 個可編程I/O口線，片內含8 kbytes 的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器和512 bytes 的隨機存取數據存取器，3 個16 位定時計數器，6 個中斷源，其指令代碼完全兼容8051 單片機，不需專用編程器或專用仿真器，可直接使用串口下載。結合超聲波測距模塊、LCD 顯示模塊、語音報警模塊、蜂鳴器報警模塊，將每個部分連接起來，把h1、h2、h3與設定的閾值進行比較判斷。若30 cm ≤h<50 cm，語音循環播放“倒車請注意”，LCD 顯示距離；若h<30 cm，蜂鳴器觸發報警功能，LCD 顯示距離，提醒駕駛人注意障礙物。

圖7 系統總原理圖

4 程序設計

程序設計流程圖如圖8 所示，此程序是一個循環體，其流程為：I/O 初始化，超聲波模塊探測距離，LCD 顯示當前距離，進行邏輯判斷處理、驅動外部電路，超聲波測距傳感器S1、S2、S3采集距離信息，通過STC89C52 內部信息融合處理，將多個傳感器提供的信息結合起來的過程稱為傳感器融合，使用傳感器融合可以提高系統的精度和可靠性[13],且具有巨大的研究價值和應用前景。根據處理過的信息值h1、h2、h3，與設定的閾值進行比較判斷。若h滿足30 cm ≤h<50 cm，在設置范圍內有障礙物，執行語音報警系統，語音循環播放“倒車請注意”；若h<30 cm，觸發蜂鳴器報警系統，蜂鳴器報警，須即刻停車，結束程序，從而實現系統對障礙物的警報，避免碰撞，解除警報后，進行下一次的探測。

圖8 程序設計流程圖

5 實驗測試

圖9（a）未達到預警范圍，LCD僅顯示距離；圖9（b）即h滿足30 cm ≤h<50 cm，語音播放“倒車請注意”；圖9（c）即h滿足h<30 cm，執行蜂鳴器報警，提示駕駛員須立刻停車。

圖9 LCD實驗數據顯示

6 結束語

文中結合倒車預警系統的發展現狀，設計了基于STC89C52 多源信息融合的倒車預警系統，在數據采集與信號處理系統中，經常需要多個傳感器從不同的方位測量同一個目標參數，從而得到該對象的多源信息，并將這些信息進行融合，得到比單一傳感器更準確更完全的估計值[14-16]，同時結合超聲波模塊、LCD 顯示、語音報警、蜂鳴器報警四大模塊相互配合達到報警的目標。該系統的設計實現了高精度的倒車，解決了傳統后視鏡的局限性，極大程度上避免了與障礙物的碰撞，保障了人身財產安全。