汽车倒车防撞系统.docx

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汽车倒车防撞系统

摘要

随着中国城市化的加速推进，社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，我国汽车的数量逐年攀升，这一数字还会在相当长时间内持续高水平的增长。

在享受汽车给我们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。

因为驾驶员在驾车时的视野范围是很有限的，通过车内和外侧的反光镜可以大幅度提高驾驶员的视野范围，但位于车正后方的障碍物以及高度不足以通过反光镜看到的或者距离车身过近的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角或者视野模糊区中。

这样，小则对驾驶员的泊车、倒车造成不便，大则也会带来一些危险。

随着科技的发展，这类的问题得到了解决，人类发明了智能交通系统，其中汽车智能倒车防撞技术关键在于智能实时的测出汽车及障碍物的距离。

当汽车及障碍物之间的距离小于设定的安全距离时，防撞系统就自动报警并采取制动措施。

为提高汽车运行的安全性和降低碰撞发生的可能。

本文介绍了以单片机为核心的倒车防撞系统增加汽车倒车时的安全性的倒车防撞系统，利用超声波进行无接触的测距，系统主要包括超声波发射电路，超声波接收电路，数码显示电路、温度测量电路以及报警电路。

以超声波传感器为重点进行超声波的发射和接收，通过计算得出距离并通过显示，在低于一定距离时，进行报警，驾驶员做出判断。

关键字：

倒车防撞，智能控制技术，超声波

研制背景及意义

倒车雷达的发展过程

关于超声波的研究起始于年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域的要应用，而用于汽车防撞却是近年的事情。

这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。

我国倒车雷达从年开始起步，从最初只是奔驰、宝马等高档车的专利，发展到现在成为许多轿车的标准配置。

经过多年的发展，倒车雷达系统已经历了六代技术改良，不管从结构外观上还是性能价格上，这六代产品都各有特点。

第一代：

倒车时通过喇叭提醒路人。

这对司机没有帮助，所以并不算是真正的倒车雷达。

第二代：

采用蜂鸣器产生不同声音来提示驾驶员。

在倒车时车后一定距离内有障碍物，蜂鸣器就会开始工作发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这是倒车雷达系统的真正开始。

但因为没有具体数据，司机不能确定障碍物离车体有多远，所以对驾驶员帮助不大。

第三代：

数码波段显示的倒车雷达系统。

可以显示车后障碍物离车体的距离，这一代倒车雷达已经比较先进了，缺点是精确度不高、安装不美观。

第四代：

液晶荧屏动态显示。

这一代的倒车雷达有一个质的飞跃，可以看清车体及障碍物之间的实际距离和其图像效果。

此类倒车雷达外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。

但这一代的产品灵敏度不太高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。

第五代：

魔幻镜倒车雷达。

采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。

这一代倒车雷达的功能较多，但成本也比较高。

第六代：

整合影音系统。

这一代倒车雷达是专门为高档轿车生产的。

其外观上比第五代倒车雷达更为精致典雅；它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看影像，但相应的成本也更高。

研究的背景及意义

随着我国经济的快速发展，交通运输车辆及私家用车的不断增加，不可避免的交通问题瞬时成为人们关注的问题。

由于存在视觉盲区，无法看清车后状况，司机在倒车时很容易发生事故。

倒车事故发生的高频率，已引起了社会和交通部门的高度重视。

倒车事故发生的原因是多方面的，造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。

而倒车事故给车主带来许多麻烦，不仅经济上，更有人身伤害。

为了减少带来的损失，需要有一种专门帮助司机安全倒车的装置。

因此，设计一个小车防撞系统也就变得很有必要，所以倒车雷达应运而生。

目前测量距离一般都采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量。

常用的技术主要有激光测、微波雷达测距和超声波测距三种。

超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点，因此经常用于距离的测量。

超声波测距主要用于建筑工地以及一些工业现场和移动机器人研制上，可在潮湿，多尘等环境下工作。

相对于其他技术而言，超声波定位技术成本低、工作稳定、精度高、操作简单等优点，非常适用于距离测量定位。

为小车防撞控制系统提供了稳定、可靠的解决办法，充分利用它的片内资源，实现了超声波测距和报警。

设计方案

 硬件部分 

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、温度补偿电路，报警电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路五部分。

单片机采用或其兼容系列。

采用高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用端口输出超声波换能器所需的的方波信号，利用外中断口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的位共阳数码管，位码用三极管驱动，系统框架图如图

技术要求、设计技术指标

汽车防撞雷达系统在汽车倒车过程中必须能够适时、准确的感应周围存在事物，保证在汽车倒车过程中有着较高的安全系数。

当汽车在倒车时要求能够测量出汽车及障碍物之间的距离，以提醒驾驶员下步该如何做。

超声波测距

常用技术方案分析及比较

在现代测距系统当中，主要有以下测距方法：

（）毫米雷达测距 

毫米雷达测距能够探测多目标，多目标分辨力好，探测精度高，受天气影响小，但存在电磁干扰问题，必须防止因雷达装置相互间以及其他通信设施的电磁波干扰而发生误动作，其多用于高速公路上的防追尾碰撞。

毫米波是指波长在的电磁波，其带宽大，分辨率高，天线部件尺寸小，能适应恶劣环境。

车用毫米波雷达，通常采用结构简单成本较低，适合近距离探测的（调频连续波）雷达体制。

雷达天线向外发出一系列连续调频毫米波，频率随时间按调制电压的规律变化，一般是连续的三角波，发射及接收信号如图所示。

图中实线是发射信号，虚线是相对静止和相对运动物体的反射信号。

反射及发射信号波形相同，只是差一个延时时间

／

式中为目标距离，为光速

发射信号及反射信号在某一时刻的频差即为混频输出的中频频率。

相对运动物体反射信号由于多普勒效应产生的频移的原因。

在三角波的上升沿及下降沿输出的中频频率分别为、。

以下公式成立：

从而得到目标车辆的距离及相对运动速度。

毫米波雷达发射及回波波形

（）激光测距 

脉冲激光测距系统的原理及微波脉冲雷达测距原理相似，在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标后一小部分激光反射到测距点被光功能接收器接收。

设目标距离为，激光脉冲往返经过的时间为，光在空气中传播的速度为，则测距公式如下：

实际脉冲激光测距机是利用时钟晶体振荡器和脉冲技术起来测定时间间隔的。

时钟即晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡（），脉冲计数器的作用是对晶振产生的电脉冲个数进行计数。

如在测距机和目标之间光往返的时间内脉冲个数为，能带测距离

相对测距精度为△，如图：

△

计时波形图

脉冲激光测距系统由三部分组成：

激光发射部分，激光接收部分和信号处理部分。

首先由半导体激光器发射一个激光脉冲，该激光脉冲经过发射光学系统准直后射向目标（本实验中激光通过一段光纤传播），同时在主波取样透取出主波的一小部分作为参考脉冲送入接收系统，经过光电探测器转换为电脉冲后，再经放大器放大后开启门电路，这时计数器开始计数。

经过一段时间后，被目标发射回来的回波脉冲信号（本实验中是经过光纤传播后的信号）通过接收光学系统的汇聚之后，射到探测器上，经过光电转换和放大后变成电信号进入门电路，使门电路关闭，计数器停止计数。

这样，从开门到关门计数器进入个脉冲，则可测得这段光纤的长度。

原理框图如下：

由于激光测距受恶劣的天气，汽车的激烈震动，反射镜表面摩损，污染等因素的影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少到损失很大，影响探测精度，所以它一般都应用于防追尾碰撞当中。

（）红外测距 

红外测距的工作过程简单来讲就是瞄准目标，然后接通电源，启动发射电路，通过发射系统，像目标发射红外信号，同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器像计数器有效的输入计数脉冲，由目标反射回来的红外线回波作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数，计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离，测距公式为：

式中：

——待测距离；       

——光速； 

——光脉冲在待测距离上往返传输所需要的时间。

只要求出光脉冲在待测距离往返传输所需要的时间就可以通过上式求出目标距离。

红外脉冲的原理及结构比较简单、测距远、功耗小。

本设计主要由五部分组成：

红外发射电路、红外接收电路、放大电路、单片机电路、译码显示电路。

其工作过程图：

红外测距系统工作过程

红外测距主要应用于夜间行车或在军事上使用。

超声波的介绍 

当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

人类耳朵能听到的声波频率为～。

当声波的振动频率大于或小于时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于的声波称为“超声波”。

超声波通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其特点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的方向性。

超声波具有以下的特点：

（1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

（）超声波可传递很强的能量。

（）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

（）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象

 超声波传感器 

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器由发送传感器 （ 或称波发送器 ） 、接收传感器 （ 或称波接收器 ） 、控制部，超声波传感器分及电源部分组成。

超声波传感器的主要性能指标包括：

工作频率：

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度：

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度：

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

超声波传感器内部结构

 超声波测距原理  

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离（），即：

。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理及雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：

×

式中为测量的距离长度；为超声波在空气中的传播速度；为测量距离传播的时间差（为发射到接收时间数值的一半）。

超声波测距误差分析

根据超声波测距公式×，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差：

当要求测距误差小于时，假设已知超声波速度（℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差△<（）≈即μ。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于的误差。

使用的晶体作时钟基准的单片机定时器能方便的计数到μ的精度，因此系统采用定时器能保证时间误差在的测量范围内。

超声波传播速度误差：

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又及温度有着密切的关系。

已知超声波速度及温度的关系如下：

式中：

—气体定压热容及定容热容的比值，对空气为，

—气体普适常量，··，

—气体分子量，空气为×·，

—绝对温度，℃。

近似公式为：

×℃

式中：

为零度时的声波速度；为实际温度（℃）。

对于超声波测距精度要求达到时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

显示电路及报警电路

显示电路

在单片机系统中，最常用的显示器有：

发光二极管，简称（  ）；液晶显示器，简称 ；荧光管显示器，简称（  ）。

其中是一种极低功耗显示器，广泛应用于测量产品中，由于本课题不需要复杂的显示信息，所以选择的是显示模块，，可以节约硬件资源，降低成本。

显示电路如下图

显示电路

报警电路设计

本设计采用峰鸣音报警电路。

峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过的根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。

压电式蜂鸣器约需的驱动电流，可以使用系列集成电路或低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。

在图中，接晶体管基极输入端。

当输出高电平“”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约电压而鸣叫；当输出低电平“”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。

报警电路如下图：

报警电路

控制电路

单片机的选择

作为整个系统的核心，单片机选用公司的单片机， 是一个低电压、高性能  位微处理器，片内含  的可反复擦写的 只读程序存储器（）和  的随机存取数据存储器（），及标准 指令系统和管脚兼容，片内置通用 位 和 存储单元，的 是一种高效微控制器，足以满足系统需求。

单片最小系统

单片机的外围电路包括复位电路和振荡电路两部分。

对于外部复位电路来说，系统是低电平复位，在系统每次上电的时候会复位一次，结合本系统的实际应用，将复位方式改为了上电复位和按键复位的结合，每次只要引脚为低电平系统就会复位一次。

总结：

该系统是一个简易的倒车雷达系统，目的是训练自己对整个控制系统的学习及搭建和对倒车雷达系统的认识。

其主要运用超声波传感器来识别障碍物，其原理及避障小车类似，相关数据经过单片机计算及处理，并于预设定数据进行比较，然后做出相应的指令，经实验，系统能基本达到预先设定的效果。

系统流程图：