基于超声波测距的二维倒车雷达系统设计

摘要：针对现有一维倒车雷达系统无法探测地面路况的问题，设计了一款基于超声波测距的二维倒车雷达系统。两列超声波探头分别监测车后方水平障碍物和车后方地面障碍物，对系统的地面监测即超声波斜面测距给出了理论依据，若车后方有障碍物，则系统发出语音提示。实验测试结果表明，该系统可实现车距在水平方向3～400 cm的准确测距，同时对地面出现的障碍物与凹坑有较高辨识能力，系统可靠性高。

引言

近年来，随着经济的迅速发展，汽车作为便捷的交通工具已进入越来越多的家庭，同时，由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。倒车时，车内、外的反光镜可以扩展驾驶员的视野，但是汽车后方的障碍物，以及由于高度不足，通过反光镜看不到的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角中。据相关调查统计，15%的汽车碰撞事故都是由倒车时汽车的后视能力缺乏造成的。

本文针对一维倒车雷达系统的主要缺陷，设计了一款基于超声波测距的二维倒车雷达系统。该系统可及时辨别汽车后方凸起、悬崖以及后方处于驾驶员盲区内的其他障碍物，同时所加入的智能语音报警功能，可及时提示驾驶员车后的具体情况。

1 系统总体设计

本系统主要由STC89C52单片机、超声波水平测距模块、超声波地面监测模块、稳压电源模块、温度补偿、智能语音报警模块及液晶显示电路等组成，系统总体设计原理框图如图1所示。

系统工作原理如下：汽车挂倒档，系统通电启动完成初始化。由于声速与温度有关，使用温度传感器测量现场温度，并送回单片机进行声速补偿。超声波水平测距模块从汽车尾部向水平方向发射超声波，超声波地面监测模块从汽车尾部方向发射超声波(安装角与水平面成60°)。超声波在空气中传播，遇到障碍物时会产生出回波，回波分别由超声波水平测距模块和超声波地面监测模块接收。回波经过前置放大、带通滤波、电压比较器后，由单片机检测回波到达的时刻，并计算超声波从发射到接收所使用的时间(即渡越时间)，由此计算出车尾与障碍物的距离。距离实时显示在液晶显示屏上，并通过智能语音报警模块发出提示语音。

2 主要硬件模块设计

2.1 超声波水平测距模块设计

采用超声波收发一体测距模块HC—SR04完成测距任务，此模块包括超声波发射探头、接收探头、控制电路，能够实现3～400cm距离测量。超声波发射探头发出的超声波频率为40 kHz，波束角为30°，探测范围为轴向±30°的弧状区域。

超声波水平测距时，3个超声波模块以等问距方式排列，每个超声波模块的TRIG和ECHO引脚分别与单片机I/O口相连。单片机依次给TRIG引脚一个大于10μs的高电平，这样超声波测距模块就可以给发射探头8个40 kHz的周期电平，此时发射探头发出超声波。接收探头检测到回波后，ECHO引脚输出一个与超声波从发射到接收所用时间T相同的高电平，高电平时间T通过单片机内部定时器0加以采集。当单片机采用12 MHz的外部晶振时，每执行一个机器周期则需要1μs，计数加1需要一个机器周期，所以通过定时器计算得到的时间T(单位s)为：

T=(TH0×256+TL0)×10-6 (1)

其中，T为超声波从发射到接收所用的时间，THO与TLO分别表示单片机定时器O的高字节和低字节寄存器值。探头与障碍物间的距离S为：

系统运行时，超声波水平测距电路中的3个超声波测距模块依次发出超声波，间隔至少大于60 ms，以保证超声波回波不会相互影响。超声波水平测距模块工作图，如图2所示。

2.2 超声波地面监测模块设计

超声波测距的关键是探头要接收到回波，探头发出的声波沿直线传播，遇到不同介质的界面会产生反射和散射现象。声波向斜面入射时，反射波会沿着反射角方向传播，可能并不指向探头。图3是反射波返回探头的极限情况。

该情况下，H为可测距离，α为界面倾角，接收发射探头距离之间的关系为：

当界面倾角α为30°、O1O2为38 mm时，探头只能在H小于32.9 mm时才能接收到反射波，实际斜面测量距离远大于此距离，所以实际测量中反向散射波成为回波的主要成分。超声波测距时，对于具有一定倾斜角度的粗糙斜面，不计声传播衰减时的散射回波强度为：

其中，Is为散射回波;Wo为超声波探头发射功率;v为轴向集中系数，其与辐射面的形状有关，如为圆形辐射面，则v=π·d/λ;H为探头到斜面的垂直距离;△θ为波束角;β

为入射波倾角。

由式(5)可知：在探头发射功率、轴向集中系数以及波束角固定不变的情况下，散射回波强度与测量距离、入射波倾角有关。当β=60°时，散射回波能量较β=90°时的情况减少不多，依旧能够进行回波检测。

将3个超声波模块HC—SR04固定在系统尾部，与地面成60°夹角，在实际的汽车倒车系统中，此模块可以安装在车尾的合适处。探头安装侧视图和正视图如图4所示。