汽車防撞系統(tǒng)概述

1、摘要隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，越來越多的汽車涌上了街頭，隨之帶來交通事故的增多。因此汽車防撞系統(tǒng)受到了跟多人的重視。而由毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)以及CCD立體視覺系統(tǒng)組成的汽車防撞系統(tǒng)因成本高而無法應(yīng)用與普通的汽車。超聲波測距系統(tǒng)組成的汽車防撞系統(tǒng)，具有成本低、受外界影響小的優(yōu)點(diǎn)，因此研究大作用距離超聲波測距系統(tǒng)組成的汽車防撞系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文采用超聲換能器組成的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車防撞系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)，單片機(jī)控制器，LED顯示部分，掃描驅(qū)動(dòng)部分。關(guān)鍵詞：汽車防撞系統(tǒng) 超聲換能器 大作用距離 測距系統(tǒng)AbstractWith the development

2、of social and economic progress, an increasing number of cars appear on the streets, which bring more and more traffic accidents. As a result, vehicle collision avoidance systems are paid great attention to. But the vehicle collision avoidance system composed of millimeter-wave radar, laser radar an

3、d CCD three-dimensional visual system are too expensive to be used in ordinary cars. The vehicle collision avoidance system using Ultrasonic Ranging has two great advantages, such as low cost and not subject to outside influence. So the study of vehicle collision avoidance system composed of ultraso

4、nic ranging system is significant. In this paper, the vehicle collision avoidance system contains ultrasonic ranging system composed of ultrasonic transducer. The system consists of Ultrasonic launching and receiving systems, SCM controller, LED display part and the scanning driver.Keywords: Automob

5、ile collision avoidance system Ultrasonic transducer Large sensing-range Distance measurement system目錄第一章 緒論11.1 研究背景與課題來源11.1.1 各類車載測距傳感器及其性能21.1.2 課題的提出21.2 汽車防撞系統(tǒng)的現(xiàn)狀41.3超聲波測距系統(tǒng)51.3.1可變閾值與回波包絡(luò)檢波法61.3.2 基于互相關(guān)函數(shù)的時(shí)延估計(jì)法61.3.3 譜線分析法與自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)61.4超聲波測距與定位技術(shù)的發(fā)展概況71.5主要研究工作及內(nèi)容7第二章 超聲波發(fā)射與接收電路92.1 大作用距離超聲波換能器

6、92.1.1 超聲波物理特性與換能器技術(shù)指標(biāo)92.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)112.2.1 推挽變換器的工作原理112.2.2 推挽變換器的轉(zhuǎn)換效率122.3 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)132.3.1 低噪聲前端放大器132.3.2 濾波放大電路與電源15第三章 超聲波測距系統(tǒng)163.1 超聲波測距算法分析163.1.1 問題分析163.2 超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)173.2.1單脈沖數(shù)字相關(guān)測距18第四章 超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)194.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)194.1.1系統(tǒng)硬件總體框圖194.1.2超聲波發(fā)射部分204.1.3超聲波接收部分214.1.4單片機(jī)控制部分214.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)224.3系統(tǒng)

7、的調(diào)試與優(yōu)化23總結(jié)25致謝26參考文獻(xiàn)27- 29 -第一章 緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的人擁有了自己的私家車，越來越多的汽車涌上了公路，可隨之而來的是交通事故也越來越多，不少人也因此談車色變。作為主動(dòng)式車輛安全系統(tǒng)之一的車輛防碰撞系統(tǒng)受到國內(nèi)外汽車研究人員的高度重視，也取得了很多成果。防碰撞系統(tǒng)主要用在追尾碰撞系統(tǒng)、側(cè)防系統(tǒng)、倒車?yán)走_(dá)三個(gè)方面。其中倒車?yán)走_(dá)技術(shù)比較成熟，成本也比較低，在世界各地都有廣泛的應(yīng)用。世界多個(gè)知名汽車制造商也都有成功的研究與應(yīng)用，但是價(jià)格還比較高，未能在中、低檔車中推廣，還需要進(jìn)一步完善、降低成本。超聲波具有束射和反射特性，基本上可以沿直線傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

8、相同振幅的低頻聲波，非接觸式超聲測距傳感器正是利用超聲波的這種特性而制成的。在空氣介質(zhì)中，超聲波測距傳感器的性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且價(jià)格低廉、使用方便。因此，在物位測量、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)、機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航、無人作戰(zhàn)平臺(tái)、地形地貌探測乃至江河水位高度監(jiān)測等許多領(lǐng)域，超聲波測距傳感器都得到了廣泛的應(yīng)用。此外，由于超聲波在水下傳播的距離比光和電磁波要遠(yuǎn)得多，故在水下的目標(biāo)探測、識(shí)別、定位、通訊和導(dǎo)航以及海洋石油開發(fā)中，也廣泛應(yīng)用超聲波作為信息載體。為此，深入研究超聲波的產(chǎn)生與傳播規(guī)律、開發(fā)高性能超聲波換能器、探討新的超聲波信號(hào)處理方法，對(duì)于推動(dòng)超聲波換能器技術(shù)與

9、超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1 研究背景與課題來源隨著世界各國汽車持有量的不斷增加，車輛碰撞事故也隨之增多，尤其在城市道路和高速公路上發(fā)生的交通事故更是與日俱增。自適應(yīng)汽車防碰撞技術(shù)和汽車主動(dòng)防碰撞預(yù)警系統(tǒng)以及與此相關(guān)的測距技術(shù)正是在這種背景下提出的，并己經(jīng)成為當(dāng)前車輛工程和測控技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。近十年來，歐美大汽車公司資助研制的汽車防碰撞裝置，一般傾向于使用毫米波雷達(dá)作為車載前視測距傳感器。這是因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)能夠探測遠(yuǎn)距離物體，使車載控制器有足夠的時(shí)間來處理和利用感知信息，以防止車輛發(fā)生追尾碰撞或與前方障礙物發(fā)生碰撞。然而，更多的碰撞事故是發(fā)生在車輛換

10、道、拐彎或倒車的瞬間，而不僅僅局限在車輛向前高速行駛過程中。這就要求汽車主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)具有識(shí)別車輛周邊物體、提前預(yù)報(bào)險(xiǎn)情或自動(dòng)保持安全行駛距離的基本功能。由于常見的超聲波測距傳感器的作用距離太短，只能用于探測近距離(l5m)目標(biāo)(如泊車或倒車防撞報(bào)警裝置中的超聲波探頭)，而不適合用于探測靠近車輛的周邊物體(大于15m)。為此，國外一些著名的汽車公司正計(jì)劃在汽車上安裝一種近程雷達(dá)，它最多可以感知車輛周邊20m范圍內(nèi)的8個(gè)物體。這種額外獲取的路況信息，可用來啟動(dòng)汽車防碰撞系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地估計(jì)車輛與周邊物體的相對(duì)距離和速度，以判定是否存在行車事故危險(xiǎn)，并及時(shí)地發(fā)出警告或采取必要的應(yīng)急措施，以避免發(fā)生車輛

11、碰撞事故或減輕車輛發(fā)生碰撞的后果。但是，近程雷達(dá)的價(jià)格昂貴，限制了它在普通汽車上的推廣應(yīng)用。因此，研制和開發(fā)具有高性價(jià)比的超聲波測距傳感器和目標(biāo)探測系統(tǒng)，必將推動(dòng)具有全方位探測功能的汽車主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)的發(fā)展與普遍應(yīng)用。同時(shí)，這種技術(shù)也可以推廣應(yīng)用于無人作戰(zhàn)平臺(tái)或現(xiàn)場機(jī)器人的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。1.1.1 各類車載測距傳感器及其性能為了便于在后續(xù)章節(jié)中說明大量程超聲波測距系統(tǒng)研究課題的應(yīng)用價(jià)值和意義，首先必須了解當(dāng)前車載測距傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研究狀況與發(fā)展趨勢(shì)。下面，簡要介紹常見的車載測距傳感器的類型和技術(shù)指標(biāo)，如表1-1所示。一般來說，單一傳感器的感知信息都有一定的局限性。為了提高汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)

12、對(duì)周邊物體的識(shí)別能力，需要引入多傳感器信息融合技術(shù)，把分布在不同位置的多個(gè)傳感器或不同類型傳感器所提供的局部觀測量加以融合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，以形成對(duì)周圍環(huán)境相對(duì)一致的感知描述，從而確保汽車主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)能夠可靠地運(yùn)行。例如，如果將車載前視毫米波雷達(dá)、雙前視激光雷達(dá)、超聲波傳感器陣列以及CCD攝像機(jī)提供的信息進(jìn)行融合處理，那么，在虛警概率一定的前提下，可以大大提高車載感知系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的檢測概率。1.1.2 課題的提出鑒于目前國內(nèi)小型化毫米波測距雷達(dá)的研制和試驗(yàn)還處于起步階段，是以開發(fā)基于毫米波雷達(dá)的國產(chǎn)化汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)的條件尚未成熟。本課題的主要任務(wù)是研制大作用距離

13、超聲波傳感器和大量程超聲測距系統(tǒng)，用于探測距離車輛20m或更大范圍內(nèi)的周邊物體，以取代價(jià)格昂貴的近程雷達(dá)。表1-1 常用車載測距傳感器類型性能指標(biāo)用途適用環(huán)境價(jià)格毫米波雷達(dá)（體積?。┳饔镁嚯x：100m（美國）150m（歐洲）測距精度：±0.5m(滿量程)測速范圍：±160km/h測速誤差： 1.5km/h縱/橫視角：4°/8.8°更新速度：20Hz前視測距測速不受大雨，大霧和沙塵爆等惡劣氣候環(huán)境的影響；不能探測前方斜面物體成本高激光雷達(dá)（體積?。y距范圍：1150m測距準(zhǔn)確度：0.1m（滿量程）縱/橫視角：3°/6°更新速率：1020

14、Hz前視測距受環(huán)境變化影響大；對(duì)被測物體反射面的粗糙度和斜度有較高的要求。成本較低CCD立體視覺系統(tǒng)（像素640×480）測距范圍：325m測距準(zhǔn)確度：0.3m（滿量程）采樣速率：33幀/秒周邊測距受光照，路面背景，粉塵，煙霧及雨雪天氣等環(huán)境因素的影響大；可探測前方測斜面物體。成本較高超聲波測距傳感器（體積?。y距范圍：0.310m測距精度：±0.1m(滿量程)波束寬度：10°更新速率：15Hz后視測距不受大雨，大霧和沙塵爆等惡劣氣候環(huán)境影響；不能探測前方斜面物體。成本低超聲波換能器的結(jié)構(gòu)、超聲波發(fā)射電路的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率和超聲波接收器的信噪比以及超聲波信號(hào)處理算

15、法等因素，均對(duì)超聲波傳感器和超聲波測距系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。因此，為了能夠研制出頻帶寬、量程大(2030m)、指向性好和響應(yīng)速度高的超聲波測距傳感器和超聲波測距系統(tǒng)，必須從以下四個(gè)方面采取措施：其一、優(yōu)化換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、發(fā)射電路和機(jī)電阻抗匹配參數(shù)，以提高超聲波傳感器的 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；其二、選擇適當(dāng)形式的壓電振子，使其諧振頻率盡可能地處于較低的頻段上，以減小超聲波傳播過程中的能量衰減；其三、盡可能增大超聲波換能器的輻射面積，采用恰當(dāng)?shù)穆晫W(xué)阻抗匹配技術(shù)和特殊的換能器結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)超聲波換能器的指向性、拓展超聲波傳感器的工作頻帶；其四、設(shè)計(jì)低噪聲、高阻抗超聲波接收電路，并采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法

16、，以提高超聲波測距系統(tǒng)的處理增益和實(shí)時(shí)性。解決上述問題涉及到機(jī)械、電子、聲學(xué)和信息技術(shù)以及制造工藝等多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。因此，超聲波測距技術(shù)的任何進(jìn)展，必將推動(dòng)與之相關(guān)的技術(shù)和信息化裝備系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展。1.2 汽車防撞系統(tǒng)的現(xiàn)狀從上個(gè)世紀(jì)90年代以來，世界各國投入人量人力、物力從事汽車防撞系統(tǒng)的研究，目前已取得了顯著的成果，開發(fā)了若干新產(chǎn)品，使汽車的行駛安全性人人提高。汽車防撞系統(tǒng)是一種能向駕駛員預(yù)先發(fā)出視聽警告信號(hào)的探測裝置。它安裝在汽車上，能探測到接近車身的行人、車輛或周圍的障礙物；能向駕駛員及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險(xiǎn)的信號(hào)，促使駕駛員采取應(yīng)急措施來應(yīng)對(duì)特殊險(xiǎn)情，從而避免損失。通常

17、，汽車防撞系統(tǒng)由多個(gè)傳感器、天線、微處理器和數(shù)字式信號(hào)處理器組成。傳感器能向駕駛員提供車輛前、后、兩側(cè)及相鄰車道可能發(fā)生意外事件的即時(shí)信息。它采用固態(tài)砷化鎵單片微波集成電路，能產(chǎn)生24000MHz 的雷達(dá)信號(hào)，并采用調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)形式，這種信號(hào)形式不需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)便可探測到目標(biāo)。同時(shí)，車上安裝的每個(gè)傳感器均能全天候工作，并均配置對(duì)應(yīng)的目標(biāo)指示信號(hào)燈和蜂鳴器。這些傳感器的電源來自控制顯示裝置。該裝置一般位于汽車儀表板附近，包括主電源開關(guān)和每個(gè)傳感器的促動(dòng)開關(guān)。各車載傳感器依據(jù)探測到的目標(biāo)狀況向駕駛員發(fā)出視聽警告信號(hào)，即傳感器一旦探測到人員或物體，黃色信號(hào)燈即開始頻閃，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。燈光

18、和聲響的循環(huán)周期與車輛、人員及物體靠近車身的距離成比例。微處理器對(duì)傳感器的未處理回波信號(hào)進(jìn)行整理和綜合，并優(yōu)化對(duì)入射信號(hào)檢測的靈敏度和識(shí)別過程，指示燈和蜂鳴器根據(jù)其發(fā)送的指令向駕駛員提供指示。數(shù)字信號(hào)處理器具有控制、自校準(zhǔn)、輸出和故障自診斷功能。美國德爾科電子公司開發(fā)了多種汽車防撞裝置可供實(shí)際使用。在演示現(xiàn)場，德爾科電子公司的科技人員將前傳感器安裝在距離地面0.85m，車首大燈的兩側(cè)，它能掃描車輛前進(jìn)路線上即將遇到的障礙物，其前方有效探測距離為28m，。前傳感器的窄波束能區(qū)別位于同一車道上的車輛和物體與相鄰車道上或道路旁的車輛和物體，以避免虛假報(bào)警。該公司的科技人員將側(cè)傳感器安裝在后視鏡和側(cè)視

19、鏡難以觀察到的盲區(qū)，其探測距離為4m，。科技人員還把后傳感器安裝在演示車后部兩邊，其探測距離達(dá)7m。這樣，隨著車輛一路行駛，實(shí)際上形成了一個(gè)車身外橫寬8m、縱長35m，的安全區(qū)域，并且是動(dòng)態(tài)的安全區(qū)域，故有利于駕駛員進(jìn)行事先防范，對(duì)于在大霧等能見度低的條件下行車更顯神通。汽車防撞系統(tǒng)適用于各種車輛，優(yōu)先用于救護(hù)車、公交車、旅游車、搶險(xiǎn)車、公務(wù)用車及出租車等。國外現(xiàn)已將汽車防撞系統(tǒng)用于學(xué)生接送專車，以保護(hù)其在行駛途中及駐車時(shí)的安全。凡使用過汽車防撞系統(tǒng)的駕駛員均有這樣的感覺，即能夠方便地知道或觀察到以往難以發(fā)現(xiàn)的盲區(qū)中的物體，做到心中有數(shù)，并能及時(shí)防范，從而能集中精力，以更多的時(shí)間和注意力注意來

20、往車輛，并采取有效的安全防撞措施。汽車防撞系統(tǒng)是高科技的產(chǎn)物，它將伴隨微電子、光纖、紅外技術(shù)的進(jìn)步而得到新的發(fā)展。汽車防撞系統(tǒng)未來的發(fā)展方向?yàn)椋?#183;為滿足高速行駛，進(jìn)一步增大探測距離；·降低成本和售價(jià)，供在用車改裝和新車安裝使用；·與自動(dòng)駕駛儀形成反饋系統(tǒng)，按時(shí)間響應(yīng)，排除人為影響，正確保持車距或做出機(jī)動(dòng)避讓；·向智能化方向進(jìn)一步拓展。1.3超聲波測距系統(tǒng)采用超聲波傳感器進(jìn)行距離測量的方法很多，而應(yīng)用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脈沖回波法，其工作原理是：用超聲頻脈沖激勵(lì)超聲波探頭，使之向外界輻射超聲波，并接收從被測物體反射回來的超聲波(

21、簡稱回波)，通過檢測或估計(jì)從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的時(shí)間段ToF(稱為射程時(shí)間)，然后按下式計(jì)算超聲波探頭與被測物體之間的距離d，即 d= （1-1）式中，c為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度。由式 （l-1）可知，當(dāng)傳播介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時(shí)，聲的傳播速度。也隨之改變。因此，在超聲波測距儀中均內(nèi)置溫度探頭，用于實(shí)時(shí)檢測聲傳播介質(zhì)的溫度，以補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對(duì)測距精度的影響。為了改善超聲波測距系統(tǒng)的性能，僅僅從系統(tǒng)的硬件入手是不夠的，還必須研究與硬件系統(tǒng)相適應(yīng)的測量信息處理方法。為此，國、內(nèi)外學(xué)者研究了許多特殊的超聲波測距方法或時(shí)延估計(jì)算法，如可變閾值鑒幅法、互相關(guān)函數(shù)法、譜線分析法、相位檢測法和自適

22、應(yīng)時(shí)延估計(jì)法等等。在實(shí)際的超聲波測距儀中，經(jīng)常綜合應(yīng)用了多種測量算法。當(dāng)然，這些算法與超聲波換能器的聲學(xué)及電氣特性是密切相關(guān)的。下面，簡要地評(píng)述這些信號(hào)處理算法的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍。1.3.1可變閾值與回波包絡(luò)檢波法最簡單的“過零”檢測法，其工作過程如下： 在控制器啟動(dòng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的同時(shí)，向外發(fā)出持續(xù)時(shí)間固定的超聲 頻脈沖信號(hào)，換能器在該信號(hào)的激勵(lì)下向外界發(fā)送超聲波。 如果在換能器的前方存在目標(biāo)，則必有反射回來的超聲波作用在換能器上，使之產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)接收電路放大后，大于預(yù)先設(shè)定的門檻電壓(或稱為閾值)，使比較器的輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?該高電平信號(hào)使計(jì)數(shù)器終止計(jì)數(shù)，并使能與門，使微機(jī)可以

23、在并行輸入口上查詢到終止計(jì)數(shù)信號(hào)，并讀出時(shí)鐘寄存器中的數(shù)值(即ToF)。 根據(jù)式 （1-1）計(jì)算出目標(biāo)與換能器之間的距離。順便指出，換能器發(fā)送聲波的持續(xù)時(shí)間的一半與聲速的乘積，即為超聲波測距儀的盲區(qū)。由于回波信號(hào)的幅值與目標(biāo)的距離成反比，目標(biāo)與換能器之間的距離愈遠(yuǎn)，超聲波接收電路的輸出就愈小，相應(yīng)的射程時(shí)間也就愈長。因而，在超聲波測距系統(tǒng)中，通常不采用固定閾值或增益的接收電路，而是采用時(shí)間-閾值可變或時(shí)間-增益可變的接收電路。前者使閾值隨射程時(shí)間的延長呈指數(shù)形式遞減，后者使接收電路的放大倍數(shù)隨射程時(shí)間的延長呈指數(shù)形式遞增。這樣，只要適當(dāng)調(diào)整指數(shù)函數(shù)的時(shí)間常數(shù)，就能保證在規(guī)定的量程范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測

24、出目標(biāo)的距離。1.3.2 基于互相關(guān)函數(shù)的時(shí)延估計(jì)法在低信噪比和低采樣速率下進(jìn)行超聲波測距，通常采用基于互相關(guān)函數(shù)的時(shí)延估計(jì)法。其具體方法是：將發(fā)射器發(fā)送的超聲波信號(hào)作為參考信號(hào)，在每次發(fā)送超聲波的終止時(shí)刻，立即開始對(duì)接收器的輸出進(jìn)行采樣，并計(jì)算采樣值與參考信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)。若互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值，則說明采樣值是換能器接收到的回波信號(hào)，根據(jù)相關(guān)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻就可以計(jì)算出射程時(shí)間。相關(guān)估計(jì)法(也稱為匹配檢測器)既利用了回波信號(hào)的幅值又利用了回波信號(hào)的形狀。假如回波信號(hào)的波形基本不發(fā)生畸變，而且疊加在回波信號(hào)上的噪聲是高斯白噪聲，那么，相關(guān)估計(jì)法的時(shí)延估計(jì)精度和靈敏度均高于閾值檢測法。1.3.3

25、 譜線分析法與自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)譜線分析法是利用快速傅立葉變換(FFT)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行譜分析，以確定是否存在與換能器所發(fā)送的超聲波具有相同頻譜的回波信號(hào)，并由此來判定回波信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻。在信噪比極低的條件下，采用譜分析算法來檢測回波信號(hào)有助于降低虛警概率。但譜分析算法的計(jì)算量大，且不容易獲得較高的時(shí)延估計(jì)精度，故氣介中的超聲波測距很少應(yīng)用這種算法。1.4超聲波測距與定位技術(shù)的發(fā)展概況超聲波測距與定位技術(shù)是聲學(xué)與儀器科學(xué)交叉融合而形成的邊緣技術(shù)學(xué)科，它主要研究如何利用超聲波測距傳感器來實(shí)現(xiàn)三維空間目標(biāo)的定位問題。由超聲波換能器、超聲波發(fā)射與接收電路、微計(jì)算機(jī)信息處理器等構(gòu)成的超聲波測距與定位系統(tǒng)，在

26、工業(yè)、交通、國防等各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)是作者在美國奧克蘭大學(xué)參加研制汽車防碰撞系統(tǒng)期間發(fā)表的論文。在這些車載安全行駛輔助系統(tǒng)中，超聲波探頭主要用于感知車輛前、后、左、右的路況，以防止車輛轉(zhuǎn)向或換道時(shí)發(fā)生意外的碰撞事故。文獻(xiàn)分別是國內(nèi)一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)研制的車載超聲測距儀，其中，前視超聲測距儀的探測范圍小于10m，而后視和周邊探視超聲測距儀的探測距離最大不超過5m，這與前面提及的國外新型近程掃描雷達(dá)的探測范圍(車輛周邊20m以內(nèi))相差甚遠(yuǎn)。由此可見，研發(fā)大作用距離超聲波傳感器是十分必要的，對(duì)未來國產(chǎn)化汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程必將起到積極的推動(dòng)作用。在現(xiàn)代快速施工中，特別是野戰(zhàn)工事快

27、速構(gòu)筑作業(yè)，以往是依靠人工來控制機(jī)械手上的噴嘴與作業(yè)面之間的距離及噴射方向，這是一項(xiàng)既頗費(fèi)體力又難以精確控制距離與方位的操作。如何實(shí)現(xiàn)噴射機(jī)械手的智能化使其處于最佳的工作狀態(tài)，也即如何應(yīng)用高性能超聲波傳感器和噴射機(jī)械手來構(gòu)成自動(dòng)定位與控制系統(tǒng)，仍然是一個(gè)函待解決的國際難題。附帶指出，在超聲波技術(shù)領(lǐng)域中，也存在一些挑戰(zhàn)性很強(qiáng)的前沿探索性課題。譬如，能否使用兩束頻率稍有差異的強(qiáng)超聲波，利用其非線性效應(yīng)，使之產(chǎn)生頻率很低的差頻信號(hào)與超聲波一起傳播，以得到指向性很強(qiáng)且衰減很慢的差頻信號(hào)，這仍然有待于進(jìn)行深入的理論探索與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1.5主要研究工作及內(nèi)容第一章 介紹近十年來汽車主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)、車載測距傳

28、感器的發(fā)展現(xiàn)狀，簡要介紹了超聲波測距與定位技術(shù)在汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，并指出了聲學(xué)理論與技術(shù)領(lǐng)域中的一些前沿課題。最后，簡要介紹了論文中各個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容。第二章 研究超聲波換能器的物理特性與技術(shù)。研究設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，主要包括推挽變換器的工作原理，以及推挽變換器的轉(zhuǎn)換效率；超聲波接收電路的設(shè)計(jì)，包括低噪聲前端放大器，以及濾波放大電路與電源。第三章 對(duì)超聲波測距算法進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究超聲波測距方法和大量程超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。提出了基于PC機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，以及超聲波測距的信號(hào)處理算法。第四章 鑒于之前對(duì)超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)、對(duì)超聲波測距系統(tǒng)的研究以及超聲波

29、測距算法的分析，設(shè)計(jì)出由超聲波測距系統(tǒng)組成的汽車防撞系統(tǒng)。設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)硬件（系統(tǒng)硬件總體框圖、超聲波發(fā)射部分、超聲波接收部分、單片機(jī)控制部分），系統(tǒng)軟件，并對(duì)設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與優(yōu)化。第二章 超聲波發(fā)射與接收電路2.1 大作用距離超聲波換能器換能器的諧振頻率、輻射面積、振子結(jié)構(gòu)、聲窗匹配層和背襯材料乃至制作工藝，都直接影響了超聲波換能器的作用距離、指向性和頻帶寬度。為了解決上述問題，本章對(duì)超聲波的物理特性、換能器的振動(dòng)模式、結(jié)構(gòu)、制作工藝和聲學(xué)阻抗匹配以及機(jī)電阻抗匹配等技術(shù)專題，展開全面而深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。2.1.1 超聲波物理特性與換能器技術(shù)指標(biāo)超聲波換能器技術(shù)的研究內(nèi)容是：綜合考慮與

30、換能器和介質(zhì)相關(guān)的聲學(xué)阻抗、聲學(xué)結(jié)構(gòu)、工程材料和振動(dòng)模式等物理特性，應(yīng)用阻抗匹配技術(shù)使之達(dá)到電能與聲能之間的最佳轉(zhuǎn)換，以滿足工程實(shí)用需求?，F(xiàn)將聲波的物理特性和超聲換能器的主要性能指標(biāo)介紹如下。1 超聲波的主要物理特性超聲波和一切波動(dòng)一樣，具有頻率f、傳播速度c與波長三個(gè)物理量，三者關(guān)系為 （2-1）在不同的介質(zhì)中，聲速是不一樣的。超聲波的頻率范圍在之間，與聲波相比，超聲波具有如下顯著的物理特性：(1) 束射特性 超聲波傳播具有方向性和射線性。在相同的輻射條件下，換能器的工作頻率越高，其方向性越強(qiáng)。聲源發(fā)出的超聲波，在一定方向上形成如圖2-1所示的波束。在離聲源較近的一段，波束幾乎平行，稱為近場

31、區(qū)。在該區(qū)內(nèi)聲場分布較為復(fù)雜，其長度范圍： （2-2）其中，L為近場長度，r換能器輻射面的半徑。在遠(yuǎn)離聲源區(qū)，波束向四周稍有擴(kuò)散，擴(kuò)散聲束與平行波束之間形成角，稱為半擴(kuò)散角。角越小，能量越集中，方向性越強(qiáng)。2rL圖2-1 超聲波聲源近場的方向性 (2) 射線特性 超聲波在直線傳播過程中，當(dāng)遇到兩種聲阻抗率不同的物質(zhì)所形成的界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射和折射(透射)現(xiàn)象。超聲波的反射和折射遵循幾何光學(xué)規(guī)律。兩種交界面介質(zhì)的聲阻抗率差別愈大，反射愈強(qiáng)，透入第二種介質(zhì)的聲能就愈小。在層狀的兩個(gè)平行反射界面中，聲波可以來回反射多次，直至能量減弱至零為止。2 超聲波換能器的主要性能指標(biāo)對(duì)于超聲波換能器，除了要確

32、定其諧振頻率和頻響特性外，更重要的是要了解它的電一聲轉(zhuǎn)換特性和聲輻射特性。換能器的主要性能指標(biāo)如下：(1) 工作頻率f：工作頻率大多選取在換能器的機(jī)械共振頻率附近，因而，換能器的工作頻率一般是指換能器的機(jī)械共振頻率。(2) 機(jī)電耦合系數(shù)K：機(jī)電耦合系數(shù)K是表示壓電換能器的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)閴弘娬褡拥臋C(jī)械能與振子的形狀、振動(dòng)模式有關(guān)，所以振動(dòng)模式不同，機(jī)電耦合系數(shù)也不同。(3) 換能器的阻抗特性：根據(jù)換能器的等效機(jī)電六端網(wǎng)絡(luò)圖，每一端都具有一定的特性阻抗。因此，要求換能器與發(fā)射電路末級(jí)(或接收電路初級(jí))的阻抗相匹配。此外，根據(jù)超聲波的射線特性，還要求換能器與輻射聲負(fù)載(

33、或接收聲負(fù)載)相匹配。如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電阻抗匹配和聲學(xué)阻抗匹配技術(shù)，是研制超聲波換能器必須解決的關(guān)鍵問題之一。(4) 換能器的頻率特性：換能器的頻率特性是換能器的主要參數(shù)之一，它是指阻抗、聲壓和靈敏度等隨頻率變化的特性。在實(shí)際應(yīng)用中，通常希望超聲波發(fā)射器在一定的頻帶內(nèi)獲得平坦的阻抗特性，以適應(yīng)負(fù)載的變化，避免阻抗失配而導(dǎo)致電路發(fā)熱、能量轉(zhuǎn)換效率降低甚至損壞設(shè)備。寬頻帶超聲波接收器能夠接收窄脈沖信號(hào)或余振時(shí)間短的波動(dòng)信號(hào)，因而在聲軸方向上具有極高的位移分辨力。超聲波換能器是用來實(shí)現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的裝置。通常，超聲波換能器的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率低，嚴(yán)重影響了超聲波換能器的作用距離。為了解決這一問題，僅僅

34、考慮改善換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)與聲學(xué)特性是不夠的，還必須優(yōu)化換能器的發(fā)射電路和接收電路的設(shè)計(jì)，以提高超聲波發(fā)生器的有效發(fā)射功率和超聲波接收器的信噪比。2.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生器是由超聲波發(fā)射電路和超聲波換能器構(gòu)成的。超聲波發(fā)射電路(也稱為驅(qū)動(dòng)電源)根據(jù)其工作原理可以分為振蕩一放大型和逆變型兩類。對(duì)于中、小功率且頻率不是很高的超聲波換能器，一般均采用振蕩一放大型驅(qū)動(dòng)電源，如圖2-2所示。本設(shè)計(jì)方案是采用它激式振蕩器，以便于在較寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)換能器的工作頻率。下面分別介紹驅(qū)動(dòng)電源的各個(gè)組成部分。振蕩器單變壓器推挽功率放大電路壓電換能器 圖2-2 振蕩-放大型驅(qū)動(dòng)電源2.2.1 推挽變換

35、器的工作原理圖2-3是一種采用較多的超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電源，其功率放大級(jí)是由MOS管推挽變換器構(gòu)成的。推挽變換器采用帶有中心抽頭的脈沖變壓器作為輸出級(jí)，以提高驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓幅度，進(jìn)而增大換能器的發(fā)射功率。該電路的特點(diǎn)是無激勵(lì)信號(hào)時(shí)(選通信號(hào)為低電平)，兩個(gè)MOS功率管工RF520的靜態(tài)電流為零；有信號(hào)激勵(lì)時(shí)，兩個(gè)MOS管交替工作，各輸出半波信號(hào)，合起來形成一個(gè)完整的波形。在電路中，SN75732集成芯片是雙通道TTL/MOS接口電路(雙與非門)，用于實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，以便于控制MOS管的漏極電流；是限流電阻，用于限制MOS管的最大漏極電流與，以避免MOS管受到過大的瞬間電流沖擊；是由電容和電阻構(gòu)

36、成的支路，用于禁止直流電壓通過，以防止MOS管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)與電阻構(gòu)成分壓電路，以確定MOS管柵-漏極電壓的大小和MOS管方波輸出信號(hào)的占空比系數(shù)；凡是外接的偏流電阻，其值取100 200k為宜。圖2-3 超聲波換能器發(fā)射電路2.2.2 推挽變換器的轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在，仍以未加阻抗匹配的換能器為例，推導(dǎo)計(jì)算變換器能量轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式。對(duì)于圖2-3所示的電路，可以認(rèn)為：在輸入信號(hào)的一個(gè)周期T內(nèi)，和各導(dǎo)通T/2(為變換器輸入信號(hào)的占空比)，且通過兩MOS管的電流幾和功率管兩端的電壓在數(shù)值上分別相等。因此，只需先計(jì)算單管的功耗再乘以2就可以求出總的管耗。當(dāng)MOS管的輸入信號(hào)近似為方波，并且MOS管

37、的漏極電流達(dá)到最大值與時(shí)，總的管耗為 （2-3）式中，T為輸入方波信號(hào)的周期。直流電源供給的功率應(yīng)包括負(fù)載得到的功率和兩MOS管的功耗以及限流電阻上的功耗，即 （2-4）式中，為變壓器的效率。利用式（2-3）和（2-4）以及(表示變壓器初級(jí)繞組上的電壓，)，即可求出方波輸入時(shí)變換器電路的效率為 （2-5）式中，表示換能器負(fù)載折合到變壓器初級(jí)的等效電阻。從電能利用率的角度來看，如果，(二者均與變比有關(guān))和輸入信號(hào)的占空比系數(shù)越小，且變壓器效率越高，則推挽變換器的效率就越高，這個(gè)結(jié)論與式（2-5）所蘊(yùn)涵的物理意義是一致的。此外，在經(jīng)典的電子電路設(shè)計(jì)教科書中，通常認(rèn)為乙類放大器(推挽放大器)的效率為

38、7080%，與式（2-5）計(jì)算的結(jié)果大致一致。因此，本文推導(dǎo)的推挽變換器的轉(zhuǎn)化效率公式是正確的。 2.3 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收器是由超聲波換能器和接收電路構(gòu)成的。為了實(shí)現(xiàn)大范圍超聲波測距，不僅要求超聲波接收電路能夠放大遠(yuǎn)處目標(biāo)反射回來的微弱信號(hào)，而且還希望近距離目標(biāo)反射回來的強(qiáng)信號(hào)經(jīng)放大后又不至于發(fā)生變形或飽和，這就要求接收電路具有自動(dòng)增益控制(AGC)功能。此外，在接收電路中增加AGC功能，有助于克服“混響”現(xiàn)象，提高超聲波測距系統(tǒng)的信噪比。為此，文中根據(jù)超聲波信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的衰減特性，利用自動(dòng)增益控制原理來實(shí)現(xiàn)時(shí)間-增益控制(TGC)，使超聲波接收電路具有很高的增益而又不出現(xiàn)

39、深度飽和現(xiàn)象。此外，本節(jié)還設(shè)計(jì)了低噪聲放大電路和帶通濾波器，大大提高了接收電路的信噪比。2.3.1 低噪聲前端放大器將超聲波換能器正對(duì)著2.5m處的墻壁(目標(biāo))發(fā)射超聲波，用示波器直接觀察換能器的輸出信號(hào)，其電壓幅值為1V。隨著目標(biāo)距離的逐漸增大，回波信號(hào)的幅值急劇降低。若希望超聲波傳感器的測距范圍為235m，則要求超聲波接收電路必須具有足夠大的增益，才能敏感極其微弱的回波信號(hào)，同時(shí)，又要求近距離目標(biāo)所產(chǎn)生的回波信號(hào)經(jīng)放大后不會(huì)出現(xiàn)深度飽和現(xiàn)象。因此，前端放大器的增益G不能取得太大。圖2-4 低噪聲前端放大器電路圖2-4是超聲波接收器的前端放大電路。其中，前端放大器是由AD620型儀表運(yùn)算放大

40、器和阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。AD620具有低功耗、寬頻帶、高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，其增益僅由電阻決定的，使用1%的精密電阻，它就能提供精確的增益G。如果G=1，則引腳不連接電阻元件(即=)；而對(duì)于其它的任何增益，可按下式確定電阻值：=(k) （2-6）當(dāng)G6，則=10 k2.3.2 濾波放大電路與電源圖2-5 信號(hào)放大與帶通濾波電路圖25是用高阻抗運(yùn)算放大器(TL084)和RC阻容元件構(gòu)成的同向、反向放大器和有源帶通濾波器。在此，重點(diǎn)討論濾波器設(shè)計(jì)問題。有源帶通濾波器的傳遞函數(shù)為 （2-7）式中，為帶通濾波器的中心角頻率，（為換能器的工作頻率，=24.5kHz)Q為品質(zhì)因素，Q=3；A為濾波器的增益，

41、A=2。濾波器的參數(shù)滿足如下關(guān)系： （2-8）將已知數(shù)值代入上式，計(jì)算得：， ， ，最后，通過調(diào)節(jié)電位器來改變末級(jí)放大器的增益，使接收電路的輸出幅值滿足數(shù)據(jù)采集電路板的輸入要求即可。第三章 超聲波測距系統(tǒng)在超聲波測距系統(tǒng)中，測距算法性能的優(yōu)劣，直接影響了測距系統(tǒng)的性能；而測距算法的運(yùn)算速度，則直接影響了測距系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。從信息論的角度來看，超聲波測距過程實(shí)際上是超聲波的傳遞過程，因此，可以利用通訊技術(shù)的基本方法，來增強(qiáng)超聲波測距系統(tǒng)的抗干擾能力、提高超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速移動(dòng)目標(biāo)的測量或定位。3.1 超聲波測距算法分析應(yīng)用超聲波脈沖回波法的測距過程是：用持續(xù)時(shí)間一定的超聲頻高壓電

42、脈沖信號(hào)激勵(lì)換能器，使之向外部介質(zhì)發(fā)送一串超聲波，當(dāng)超聲波在換能器的聲軸上遇到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)，部分聲能將被反射回來并作用在換能器上，使換能器輸出微弱的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大濾波后，送入微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，以判定回波信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻，并計(jì)算出超聲波的射程時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離，從而完成了一個(gè)測距周期。如何改善超聲波測距系統(tǒng)的抗干擾性能和實(shí)時(shí)性，是研究超聲波信號(hào)處理算法時(shí)必須考慮的關(guān)鍵性技術(shù)問題。3.1.1 問題分析超聲波在傳播過程中不僅受到傳播介質(zhì)的影響，而且它的信噪比也將因振動(dòng)、空氣湍流和聲能的吸收衰減等外界因素的影響而改變。實(shí)驗(yàn)表明，在超聲波測距過程中，當(dāng)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的能量均比較

43、大時(shí)，傳統(tǒng)的閾值檢測法是行之有效的。而當(dāng)目標(biāo)距離傳感器較遠(yuǎn)時(shí)，回波信號(hào)受到外界因素的干擾較大，這時(shí)測距系統(tǒng)就難以直接判定換能器的輸出信號(hào)是回波還是噪聲，傳統(tǒng)的閉值檢測法就失效了。幸運(yùn)的是，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)基本一致，因而，借助于計(jì)算二者的互相關(guān)函數(shù)，找出其峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，即可確定超聲波的時(shí)間射程(Time of Flight， ToF )。在第一章介紹的許多信號(hào)處理算法中，包絡(luò)相關(guān)函數(shù)法是既適合于處理微弱信號(hào)，又適合于采用低采樣速率的魯棒算法。為了提高超聲波測距算法的可靠性，可借助于一個(gè)經(jīng)過適當(dāng)選擇的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列作為編碼信號(hào)(簡稱偽隨機(jī)碼，或PN碼)，將基帶脈沖信號(hào)調(diào)制成為超聲頻編碼

44、信號(hào)，用以激勵(lì)換能器，使之向外界發(fā)送超聲波編碼信號(hào)。在大多數(shù)情況下，外部干擾信號(hào)與所發(fā)送的編碼信號(hào)是不相關(guān)的。因此，通過計(jì)算該編碼信號(hào)與回波信號(hào)的包絡(luò)相關(guān)函數(shù)，就可以把混在回波信號(hào)中的外部干擾信號(hào)消除或減小到最低程度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信噪比為負(fù)分貝的微弱信號(hào)檢測。顯然，偽隨機(jī)序列的長度越長，包絡(luò)相關(guān)函數(shù)的峰值就越大，測距系統(tǒng)的處理增益也就越高，但測距系統(tǒng)的盲區(qū)也將隨之增大。故而，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際測量需求，選用恰當(dāng)長度的偽隨機(jī)序列。圖3-1表示基于包絡(luò)相關(guān)法超聲波測距系統(tǒng)的原理框圖。為了從理論上證明借助于通訊技術(shù)來提高超聲波測距系統(tǒng)的處理增益是可行的，有必要研究調(diào)制解調(diào)器與包絡(luò)相關(guān)算法的輸出信噪比。圖3-

45、1 基于PN碼的包絡(luò)相關(guān)法的超聲波測距原理3.2 超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)超聲波測距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集與控制板卡和超聲波換能器及其發(fā)射/接收電路構(gòu)成的，如圖3-2所示。利用該系統(tǒng)，進(jìn)行了適合于低采樣速率的超聲波測距實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出測距算法完全能夠采用普通的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，以構(gòu)成具有高性價(jià)比的大量程超聲波測距儀。PIOA/D邏輯控制&功率放大器接收電路換能器PC圖3-2 基于PC機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3.2.1單脈沖數(shù)字相關(guān)測距在圖3-2所示的系統(tǒng)中，有用的信息是超聲波收、發(fā)信號(hào)的包絡(luò)。由于換能器的頻響特性對(duì)包絡(luò)信號(hào)的頻譜有一定的影響，但不是很大。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，只

46、要采樣速率高于換能器通帶信號(hào)的2倍，就可以恢復(fù)出原信號(hào)的包絡(luò)。對(duì)于非組合換能器而言，其頻帶寬度約為4kHz，采樣頻率應(yīng)高于8kHz；對(duì)于組合式換能器，其發(fā)射頻帶為 4kHz，而接收頻帶為7kHz，采樣頻率應(yīng)高于14kHz。當(dāng)然，采樣頻率越高，時(shí)間軸的分辨力越高，測距精度也隨之提高，但數(shù)據(jù)處理量也相應(yīng)地增大了。因此，必須根據(jù)實(shí)際需要，采用適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾?。xLPF修正ToFr(t)r(n)s(n)y(n)結(jié)果圖3-3 超聲波測距算法在PC機(jī)中，信號(hào)處理算法如圖3-3所示。圖中，r(t)是經(jīng)放大和帶通濾波后的回波信號(hào)，r(n)是計(jì)算機(jī)采樣信號(hào)，Tr(n)是發(fā)送信號(hào)的包絡(luò)函數(shù)。為了獲得與同步解調(diào)系統(tǒng)一

47、樣的處理增益，回波信號(hào)經(jīng)采樣、平方后，還應(yīng)當(dāng)通過一個(gè)二階數(shù)字低通濾波器。濾波器的輸出(回波包絡(luò)的平方) s(n)為： （3-1）這里，低通數(shù)字濾波器是用于消除由平方算法所產(chǎn)生的位于半采樣頻率附近的譜成分。發(fā)送信號(hào)的包絡(luò)與回波信號(hào)的平方包絡(luò)之間的互相關(guān)函數(shù)(用卷積公式計(jì)算)為： （3-2）式中，N是采樣序列s(n)的長度，M是發(fā)送信號(hào)包絡(luò)序列的長度。第四章 超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)超聲波測距的工作原理超聲波測距的原理就是利用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度

48、為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s) ，即：s=340t /2。超聲波測距的工作方式是利用超聲波測距的工作原理達(dá)到測量距離的作用，主要有三種測距方法：1) 相位檢測法，相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；2) 聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響；3) 渡越時(shí)間檢測法，渡越時(shí)間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。本設(shè)計(jì)的超聲波測距就是使用了渡越時(shí)間檢測法。在移動(dòng)車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和

49、固體反射特性(縱波)，通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1.1系統(tǒng)硬件總體框圖構(gòu)成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、鍵盤顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路。采取收發(fā)分離方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)棍疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；一是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表而反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方而因素，采用AT89C51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的

50、定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖4-1所示。 超聲波接收超聲波發(fā)送單片機(jī)控制器LED顯示掃描驅(qū)動(dòng)前方或后方車輛圖4-1 系統(tǒng)總體框圖4.1.2超聲波發(fā)射部分超聲波發(fā)射電路工作原理如圖4-2所示：由NE555時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40kHz多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器Rp阻值，可以改變振蕩頻率，最終達(dá)到40kHz。同時(shí)用單片機(jī)控制NE555第3腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)。電路簡單易制。電路工作電壓9V，工作電流4050mA。圖4-2 超聲波發(fā)射電路原理圖用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器。 555定時(shí)器外接電阻和電容構(gòu)成的多諧振蕩電路。振蕩

51、頻率f主要取決于電阻R1(包括電位器的阻值)，R2和電容C1，當(dāng)R1，R2和C1固定時(shí)，改變電位器的阻值就可改變振蕩頻率，振蕩幅度由電源電壓來決定。頻率為： f =1.44（R1+2R2）C1 （4-1）（1） 但是輸出的矩形波是不對(duì)稱的，占空比為：q=(R1+R2) /(R1+2R2) （2） 這里采用獨(dú)立的 9V電源對(duì)二極管驅(qū)動(dòng)電路供電，以增強(qiáng)超聲波發(fā)射的能量和測量精度。4.1.3超聲波接收部分電路的功能是將連續(xù)變化的信號(hào)放大，濾掉高頻干擾和噪聲，把連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)，量化后進(jìn)入信號(hào)采集系統(tǒng)。超聲波接收電路原理如圖4-3所示，當(dāng)R40-16感應(yīng)到超聲波時(shí)，信號(hào)經(jīng)過VT2， VT1

52、兩級(jí)放大后再經(jīng)整形濾波，最后由VT3放大輸出，若有收到40kHz超聲波回波，輸出低電平到單片機(jī)，若無接收40kHz超聲波的回波，輸出高電平到單片機(jī)。圖4-3 超聲波接收電路原理圖4.1.4單片機(jī)控制部分40kHZ的發(fā)射頻率由單片機(jī)的P3.2提供給軟件進(jìn)行處理，回波經(jīng)過AT89C51對(duì)接收到的信急進(jìn)行處理后，被測的距離在LED上顯示，顯示的數(shù)據(jù)由P0口和P2口分別控制數(shù)碼管的段和位實(shí)現(xiàn)LED的顯示，顯示部分采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。兩位LED可表示4.90.1m的距離，滿足顯示精度；若該距離小于預(yù)置的汽車低速安全剎車范圍(如：lm或0.5m)，報(bào)警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽?，由P2.4口的蜂鳴器輸出控制報(bào)

53、警電路的工作。圖4-4 LED數(shù)碼顯示電路4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)汽車防撞系統(tǒng)根據(jù)超聲測距原理用AT89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下功能：(1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)。(2)根據(jù)汽車的行駛速度計(jì)算出避撞的安全距離和報(bào)警距離。(3)測出超聲波信號(hào)的往返時(shí)間，來計(jì)算出最近的障礙物與汽車的距離。超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時(shí)間，需要通過軟件定時(shí)器來記錄。根據(jù)這個(gè)時(shí)間才能計(jì)算出障礙物的距離。系統(tǒng)主程序流程如圖4-4所示。軟件設(shè)計(jì)的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯

54、示、聲音報(bào)警等功能編成獨(dú)立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當(dāng)按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個(gè)模塊，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測量的結(jié)果進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報(bào)警程序。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距離時(shí)，聲音報(bào)警程序被調(diào)用。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1ms(這也就是超聲波測距儀會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因)后，才打

55、開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器中的數(shù)(即超聲波來回所用的時(shí)間)按式（4-2）計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344m/s則有：d=(cxt)/2=172To/10000cm （4-2）其中，To為計(jì)數(shù)器的計(jì)算值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。開始系統(tǒng)初始化等待反射超聲波計(jì)算距離圖4-4 系統(tǒng)主程序流程圖4.3系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用T/R40的超聲波換能器(T發(fā)射)和(R接收)，中心頻率為40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4-8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。根據(jù)實(shí)際情況可