汽车前视辅助定位系统方案设计Word文档格式.docx
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Distancemeasurement；
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Positioning
目录
引言4
1方案设计概述4
1.1方案设计现状4
1.2方案设计思路5
1.3方案设计的选择5
1.4方案设计的实现5
1.5方案设计的要求6
2汽车辅助定位系统的发展6
2.1汽车辅助定位的概念6
2.2汽车辅助定位系统的发展状况6
3超声波测距原理分析7
3.1超声波的介绍7
3.1.1什么是超声波7
3.1.2超声波的特性7
3.1.3超声波的特点7
3.2超声波测距7
3.2.1超声波测距的优点7
3.2.2超声波测距原理7
3.3超声波测距的误差分析8
4超声波定位原理9
4.1超声波定位概念9
4.2三超声波传感器定位原理9
4.2.1结构设计9
4.2.2工作原理9
4.2.3定位计算10
5汽车前视辅助定位系统总体方案设计11
5.1汽车前视辅助定位系统框图11
5.1.1信息输入部分11
5.1.2控制输出部分11
5.2三超声波传感器的安装方案12
5.3方案可行性分析13
6结论14
谢辞15
参考文献16
引言
随着国民经济的发展，我国公路建设也得到了快速发展，交通基础设施建设的建设和发展，对国民经济的发展起着积极的推动作用，促使全国汽车保有量和汽车驾驶人数不断的大幅攀升，越来越多的国人实现了驾驶自己的私家车在公路上奔驰的梦想。
在当代，汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。
汽车给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题。
例如，公路交通日益呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化等，随之产生的，是造成人员伤亡和财产损失的大量交通事故。
特别是一些刚刚考取驾照的驾驶员，因驾驶经验不够丰富，更容易发生各种摩擦和碰撞事故。
本课题主要研究的就是针对于驾驶经验不够丰富的驾驶员行驶在较窄的范围或会车时，能通过车上的辅助定位系统，判断出障碍物的位置及车身能否通过，避免各种摩擦和碰撞事故的发生，使驾驶更容易，更安全。
1方案设计概述
1.1方案设计现状
随着科技的日新月异，人们对于车辆的功能及行车安全的期望日益增多，对汽车操作的便捷性和安全性也愈加挑剔。
据调查，现在每年考取驾照的人数越来越多，而因驾驶员经验不足造成的各种摩擦和碰撞事故占总交通事故的比重也逐年上升，人们迫切希望有一种电子装置能够实现汽车的前视辅助功能，使汽车在较窄的范围行驶或会车时能够提示驾驶员汽车障碍物状况，并能根据障碍物的距离和情况及时发出警告，防止驾驶员失误操作，来保证驾车者的安全。
随着现代科技的发展和电子业的兴起，各种具有强大功能集成电路的开发，电子信息科学系有很先进的电子仪器和电子设备，这些都为开发这种电子产品奠定了坚实的物质基础。
近年来，许多先进安全系统及驾驶辅助系统相继被开发出来。
其中汽车前视辅助定位系统是驾驶辅助系统中最先受到瞩目的技术发展，目前已成为高阶新车的标准驾驶辅助配备之一。
汽车前视辅助定位系统由超声波传感器（俗称探头）、控制/数据处理中心和显示器和警告电路等部分组成。
本课题设计在汽车行驶在较窄的范围或会车时，自动测量车辆到最近障碍物的距离，并用液晶屏显示出来，在车辆前方距离障碍物2m，两侧距离障碍物0.1m时会发出警告音，提醒驾驶员注意操作。
本设计有望成为经验不足的驾驶员的好帮手，可有效减少和避免因视野障碍而引发的摩擦和碰撞事故。
1.2方案设计思路
本课题为“基于超声波测距原理的汽车前视辅助定位系统设计”。
首先需要明确汽车辅助定位的概念及其大体的发展状况，从而给出适当的设计方案。
本课题主要需要研究超声波测距的原理、超声波传感器的性能特点及作用及多超声波定位设计。
同时，还要研究控制系统与超声波传感器以及显示器的连接方式和了解整个汽车用前视辅助定位系统的功能实现。
1.3方案设计的选择
目前常见的有超声波短距离测距,毫米波雷达长距离测距，激光测距，摄像系统测距；
超声波测距等几种方法，按照常规技术的应用有以下四种方案可供选择：
（1）毫米波雷达长距离测距
优点：
穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的特点，抗干扰、反隐身能力强，适合长距离测距。
缺点：
大气中传播衰减严重，器件加工精度要求高，在短距离测量时存在盲区，不适合处理短距离测距。
（2）激光测距
测距精度高，抗干扰性强，作用距离远，时间短，操作方便。
成本高，不适合处理短距离测距。
（3）摄像系统测距
能比较直观观察到车辆前面和两侧的实际情况。
视频信号处理复杂，涉及到数字图像处理等，成本较高。
（4）超声波测距
检测迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制，原理简单，适合在一般短距离的测距。
传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样。
通过对应用场合、成本和技术原因的研究，并对四种测距方式进行相互比较，认为采用超声波测距最为实际有效，故本课题采用超声波测距作为基本原理进行研究和设计。
1.4方案设计的实现
本课题采用基于超声波测距原理，来设计一个低成本、高精度、微型化、智能化的汽车前视辅助定位系统。
汽车前视辅助定位系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制电路和显示器和报警电路等部分组成。
工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。
作为一种非接触式的检测方式，和红外线、激光、无线电测距相比，由于超声波具有穿透性较强、空气传播衰减小、反射能力强的特点，所以超声波测距具有在近距离范围内不受光线和雨雪雾的影响、结构简单、制作方便、成本低等优点。
超声波测距可实现较精确的时间测量，测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在液晶屏幕上显示出来。
若车辆前方距离障碍物2m或两侧距离障碍物0.1m时，声光警报系统会发出警告声，提醒驾驶员注意操作。
1.5方案设计的要求
（1）汽车减速时，能自动开启前视辅助定位系统；
（2）超声波探头测距的精度达到1mm；
（3）能实现汽车前方及两侧的障碍物测距及定位；
（4）超声波探头测量的数据能实时在车内的液晶显示屏上显示出来；
（5）车辆前方距离障碍物2m或两侧距离障碍物0.1m时，声光警报系统会发出警告声。
2汽车辅助定位系统的发展
2.1汽车辅助定位的概念
驾驶员利用安装于车上各式各样的传感器（这些传感器可以探测光、热、压力或其它用于监测汽车状态的变量），在第一时间收集车内外的环境数据，进行静、动态物体的辨识、侦测与定位等技术上的处理，从而能够让驾驶者在最短的时间内获知车辆内外的各种实时信息。
2.2汽车辅助定位系统的发展状况
近年来，随着科学技术发展和用户需求的不断变化，汽车辅助定位系统经过了大致五代的发展。
（1）汽车倒车雷达
（2）泊车辅助系统
（3）汽车主动巡航系统
（4）汽车GPS定位系统
（5）ADAS高级驾驶员辅助系统
ADAS高级驾驶员辅助系统是基于传感器的系统与技术，进而利用传感器向驾车者提供建议，以引起注意和提高安全性。
这些传感器采用摄像头、雷达、激光和超声波等形式，可以安装在汽车上的任何一个位置，包括前后保险杠、侧视镜、驾驶杆内部或者挡风玻璃，可以从各方面大提高行车的安全性。
本课题研究的“基于超声波测距原理的汽车前视辅助定位系统”是属于ADAS高级驾驶员辅助系统的一部分，主要用于在汽车行驶在较窄的范围或会车时，自动测量车辆到最近障碍物的距离，在车辆前方距离障碍物2m，两侧距离障碍物0.1m时会发出警告音，提醒驾驶员注意操作，使行车更安全。
3超声波测距原理分析
3.1超声波的介绍
3.1.1什么是超声波
超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，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，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
3.1.2超声波的特性
（1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
（2）超声波可传递很强的能量。
（3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
（4）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
3.1.3超声波的特点
（1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。
（2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。
（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。
3.2超声波测距
3.2.1超声波测距的优点
超声波具有较宽的测量范围，能够连续定点测距；
超声波比较安全，不必加保护设备；
测距的原理比较简单，速度快，成本相对也比较低。
在安装维护上都具有较大的优越性，特别适合在气体、液体或粉尘环境中工作，具有很大的适应性。
3.2.2超声波测距原理
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；
声波幅值检测法易受反射波的影响。
本课题采用超声波往返时间检测法。
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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
S=340t/2。
这就是所谓的往返时间检测法。
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，超声波测距原理与雷达原理是一样的，如图3-1所示：
图3-1超声波测距原理
测距的公式表示为：
L=S×
T；
式中S为测量的距离长度；
C为超声波在空气中的传播速度；
T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。
3.3超声波测距的误差分析
根据超声波测距公式L=S×
T，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。
（1）时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。
测距误差s△t<
（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs。
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1mm的误差。
（2）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，而空气的密度又与温度有着密切的关系。
已知超声波速度与温度的关系如下：
近似公式为：
C=C0+0.607×
T℃；
式中，C0为零度时的声波速度332m/s；
T为实际温度（℃）。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。
例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。
若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。
4超声波定位原理
4.1超声波定位概念
超声波定位即接收换能器通过接收几个固定位置的发射点发出的超声波的反射波,从而得到主体到这几个反射点的距离,经计算后即可得到主体的位置。
基于超声波测距原理，超声波定位存在4个限制因素：
超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。
4.2三超声波传感器定位原理
4.2.1结构设计
三个传感器排列在一条直线上，中间的超声波传感器作为中心传感器，包括发射器和接收器两部分；
左右两个超声波传感器作为辅助传感器，接收反射超声波信号。
其结构如图4-1所示：
测量点
R
R/T
R
图4-1三超声波结构
4.2.2工作原理
中心传感器首先发射一串超声波脉冲，辅助传感器和中心传感器的接收部分同时等待接收，当超声波脉冲在可测范围内遇到物体发生反射后，反射信号将被三只接收传感器先后接收，然后根据传感器接受到反射信号的不同时间，推算反射物体的位置。
采用一只超声波发射器和三只反射接收器，系统不仅得到了更精确的距离信息，还得到了精确的方位信息。
能够精确地对周围物体定位，建立详细的环境模型。
在无噪声条件下,传感器接收的信号为s（t）,s（t）=ah（t-τ），其中a为反射超声波的振幅,h（t）是超声波的正则化形式,τ说明了超声波脉冲在整个传播过程中所用的时间。
4.2.3定位计算
我们将反射物体分为两类，即柱状物体和墙面物体。
考虑超声波传感器测量的两维特性，分别用反射点和反射线来表示，它们的反射特点分别如图4-2和图4-3所示:
图4-2反射点定位图4-3反射线定位
对于柱状物体和墙面面物体，超声波的传播路径是不同的。
我们可以得到路径向量
（m1，m2，m3）P=（2r1,r1+r2,r1+r3）
（m1，m2，m3）L=（2r1,r12+r2,r1+r3）
其中P和L分别表示点反射和线反射。
根据传感器接受到反射信号（m1，m2，m3）的不同，我们来推算反射物体的位置。
用参数（r，θ）表示反射点或反射线中心的坐标，其中r是反射物体与超声波传感器的距离；
θ描述反射物体相对于传感器的方位。
当物体为点反射时，r（p）=m1/2，θ（p）=
，超声波传感器的路径向量各元素满足
；
当物体为线反射时,r（L）=m1/2，θ（L）=
。
从上四式可知，在无噪声影响时，超声波传感器的路径向量中各元素是相互关联的，从中可以区分环境物体的类型，从而得出环境物体的位置。
三超声波传感器定位不仅具有无死区、视野广的特点，而且能够同时得到精确的目标距离和方位信息。
因此，应用非常广泛，本课题也将采取这种定位方式对汽车进行前视辅助定位。
5汽车前视辅助定位系统总体方案设计
5.1汽车前视辅助定位系统框图
目前，汽车电子业最大的热点就是网络化，汽车内部网则主要是以CAN总线为主导。
CAN总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，以其低成本、高可靠性等优越特性，成为汽车电子系统中应用最广泛的总线之一。
集成CAN总线的汽车前视辅助定位系统由信息采集单元（将各种输入转换成主控单元便于接收和识别的信息）和主控单元（将输入信息与控制信息作比较，并根据安全跟车距离模型进行分析计算，发出相应的报警信号，并实时显示当前距离信息和当前的跟车距离安全状态）组成，并分别形成了信息输入部分和控制输出部分，其总体结构如图5-1所示：
图5-1汽车前视辅助定位系统框图
5.1.1信息输入部分
（1）车距测量模块：
利用装置在车头和车辆两侧的三超声波传感器测量自车与周围障碍物的相对距离及定位。
（2）自车速度传感器：
利用汽车本身的霍尔轮速传感器来测量车速。
当汽车减速时，发出信号，控制系统自动开启前视辅助定位系统。
（3）温度检测模块：
利用温度传感器，补偿超声波在空气中传播时，由于环境温度引起的误差，提高了超声波传感器的测量精度。
5.1.2控制输出部分
（1）声光报警模块：
根据三超声波传感器的测量结果发出的声音或灯光报警信息，以提醒驾驶员注意对自车驾驶的控制。
（2）LCD显示：
实时显示自车与周围障碍物间的相对距离，并显示目前所处的跟车距离安全状态；
5.2三超声波传感器的安装方案
（1）车头位置
安装2组三超声波传感器于车头位置，主要用于测量自车与车辆前方障碍物的距离及定位。
其安装位置如图5-2所示：
①
②
图5-2车头三超声波传感器安装位置
第1组三超声波传感器，②为第2组三超声波传感器，其测量范围如图5-3所示：
图5-3车头2组超声波的测量范围
由此可见，车头2组三超声波传感器的测量区域广，几乎无盲区，满足前视辅助定位的要求。
（2）车身两侧位置
安装8组三超声波传感器于车身两侧位置，主要用于测量自车与车辆两侧障碍物的距离及定位。
其中一侧的安装位置如图5-4所示：
图5-4车身一侧三超声波传感器安装位置
第③组和第⑥组三超声波传感器主要是用于测量有一定高度的障碍物。
例如，当车辆会车或行驶在较窄范围时，测量车辆距两侧障碍物的直线距离。
若障碍物的高度很小，如路边的花带或高于路面的行人道，高度仅有15cm左右，则用第
组和第
组三超声波传感器进行测量。
这两组超声波传感器在安装时有一定的角度倾斜，利用其安装倾斜角度及测量结果，可计算出车辆距离矮小障碍物的直线距离。
其测量原理如图5-5所示:
图5-5超声波传感器倾斜测量原理
测距公式为：
sinθ；
式中，S为超声波传感器的测量值，θ为超声波传感器的倾斜角度。
5.3方案可行性分析
1、将汽车本身的霍尔轮速传感器连接到控制系统，利用霍尔轮速传感器来测量车速，可以实现当车速减慢时，控制系统接收到相应的信号，能自动开启前视辅助定位系统。
2、采用超声波往返时间检测法测量距离时,考虑温度对声速度的影响，在增加了温度补偿模块后，测量精度可达到1mm。
3、采用安装10组三超声波传感器于车头及车身两侧，可实现汽车前方及两侧的障碍物测距及定位。
4、显示控制部分采用LCD显示，超声波探头测量的数据经控制/数据处理中心系统处理后，能实时在车内的液晶显示屏上显示出来。
5、警报系统采用声光警报系统，当数据处理中心的数据显示车辆前方距离障碍物2m或两侧距离障碍物0.1m时，开启声光警报系统，发出警告声。
6结论
基于超声波测距原理的汽车前视辅助定位系统设计研究涉及超声波测距、多超声波定位和CAN总线数据传输等多种技术，论文重点讨论了汽车前视辅助系统中的测距定位部分，对动态测距定位技术进行了深入研究，并进行了集成CAN总线的测距系统设计。
多超声波定位是汽车前视辅助定位系统的关键技术之一，论文从方案选择和汽车辅助地位分析开始，提出基于超声波测距原理的汽车前视辅助定位系统总体构想，为实现系统的测距定位功能，以超声波测距原理为理论基础，通过对超声波测距原理进行误差分析，进而提出了基于多超声波传感器的测距定位技术，并对总体设计方案做了相应的可行性分析，分析结果符合提出的方案设计要求。
最后，本课题研究的基于超声波测距原理的汽车前视辅助定位系统设计具有可行性，实用性。
本课题还需在以下方面开展进一步的研究：
1、优化信息处理，进一步提高超声波传感器测量距离的传播时间差值精度，缩短处理时间，不断提升测距的实时性；
2、进一步完善测距方案，对其它对测距会产生影响的因素，如环境温度、及时误差等制定相关解决办法，加强测距系统的抗干扰能力；
3、进一步增加超声波传感器的定位精度，减少测量盲区，使超声波定位更精确，更广泛。
谢辞
本论文是在李天松老师耐心细致的指导下完成的。
从论文的选题、资料搜集、论文的组织到论文的撰写，李老师都倾注了大量的精力，并给予了明晰的引导。
李老师学识渊博、治学严谨，且为人和蔼可亲，在我们学生面前，既是一位专业的学者，又是一位慈祥的长辈。
在完成本次专业课程设计的这段时间里，我从李老师那里学到了很多东西，不仅提高了我的学习能力，也增强了我对专业知识研究的兴趣。
在此谨向李老师致以诚挚的感
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