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国内汽车辅助倒车系统现状
目前在国内，汽车倒车系统大多数仍停留在语音报警或图像显示的阶段上，还没有智能可视倒车辅助系统出现。最近随着GPS在汽车领域的应用与发展，借助GPS的屏幕来显示车后图像的可是倒车产品在国内市场开始不断出现。该类产品借助车载GPS的屏幕，通过连接在车后的摄像头，将车后景象传给驾驶员，从而实现安全倒车。但是此类产品在辅助倒车方面也只能提供车后的视频图像信息，对距离仍然无法感知。
本文主要工作
本设计主要是希望将超声波测距与汽车后视摄像相结合，让驾驶员在泊车或倒车时可以通过安装在汽车遮阳板上的多功能显示器，清晰的看清楚汽车后部的情况；另外再加上语音报距。这样就可以大大提高倒车和泊车的效率和安全性。本文涉及的主要内容有视频编码及解码、数字图像处理、视频显示、超声波测距和语音报距。
本文需要解决的关键问题是通过运用以上技术，最终可以提供给驾驶员一个精确的安全倒车距离和车后图像融为一体的直观显示画面，并且将距离通过语音播报。另外，结合安装在车上的转向传感器采集到转向信息，经过处理器运算后，利用数字图像处理技术在显示器上绘制出倒车诱导线。具体实现方法如下：在显示器上绘制出三条不同颜色的线（红、黄、绿）其中，每条线的含义如下：
红线（）：代表实际的车尾。
绿线（）：代表现在车尾的实际方向。
黄线（）：代表车将要倒入的位置，它会随着方向盘的转动而偏移

当驾驶员换到倒车档后，显示器上就会出现带有诱导曲线的车后景象，黄色线代表车将要倒入位置的方向，当方向盘转动后，黄线会随时的改变方向。绿色线代表现在车尾的实际方向，而红色则代表实际的车尾，驾驶员看到有障碍物接近红线是就应该停止倒车了。当黄线与绿色线重合时，驾驶员就可以直线倒车了。因此整个倒车过程实际上就是让黄线与绿线逐渐重合的过程。有了这个倒车诱导系统的提示，倒车变得太容易了。
整个倒车过程黄线会随着方向盘的转动不断的变化，为了能够轻松的实现直线倒车，最后黄线会与绿线逐渐重合，而且倒车过程中会有红色线的安全范围提示，因此可以使倒车变得更加快捷和安全。

4．5超声波发射和接收模块
超声波测距主要有声波幅值检测法、相位检测法和往返时问检测法。声波幅值检测法
容易受反射波的干扰；相位检测法测量精度较高，可是其检测范围比较小。综合考虑上述
各方法的特点，本系统选用往返时间测量法。在超声波发射器两端输入40KHz脉冲串，脉
冲信号经过超声波内部振子，振荡产生机械波，并通过空气介质传播到被测面，由被测面
反射到超声波接收器接收，在超声波接收器两端，信号是毫伏级的正弦波信号，超声波经
气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间.

往返时间与空气中的声速相乘，就是声波传输的往返距离口31。则所测物距为往返距离
的一半，那么有下式成立：

在上式中，D为待测距离，C为超声波在空气中的传播速度，T为往返时间。
4．5．1超声波传感器工作原理
为了利用超声波，首先要研究超声波传感器的工作原理。然后在分别介绍超声波发射
和接收模块。
超声波传感器实质上是一种可逆的换能器。一方面，它将电振荡的能量转变为机械振
荡，形成超声波；另一方面，它又将接收的超声波能量转变为电振荡。因此超声波传感器
可分为发送器及接收器。目前较为常用的是利用压电晶体的谐振来工作的压电式超声波传
感器。其结构如图4．8所示，它有两个压晶片和一个共振盘，当它的两电极引脚间外加电
脉冲信号的频率等于压晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，
这样就会产生超声波呤圳。反之，如果两电极间未加外电压，当共振板接收到超声波时，将
压迫压电晶片作振动，将机械能转换成电脉冲信号，这时它就成了超声波接收器了。压电
式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超
声波。

4．5．2超声波发送电路
当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最
强。当汽车处于倒车状态时，倒车雷达开始启动，控制器控制探头发射40KHZ的超声波信
号后，再检测超声波的回波信号。超声波的发射是由控制器发射一串40KHZ的脉冲信号，
经放大电路放大后，通过探头发射出去，那么我们究竟要使控制器发射多少个40KHZ的脉
冲信号才能使倒车雷达很灵敏、很精确的测罱障碍物的距离?如果控制器发射的40KHZ脉
冲信号太多的话就不能检测太近的距离；如果少的话又不能准确接收到信号经过实验证明
使控制器发射10个40KHZ的脉冲信号，既能检测很近的距离又能准确接收到信号。但是
要注意的是超声波探头在发射超声波信号后还有一段时间的残余超声波，这个残余的超声
波信号是超声波探头在掉电以后由于惯性继续震动的余波。这个余波的振幅很小而大部分
通过超声波接收电路进入控制系统中，余波的持续时间可根据超声波发射电路和探头的不
同而不同，其持续时间大约在1ms左右。
超声波发射电路如图4．9所示，，发射电路模块主要将DSP输出的发射40kHz的方波
信号放大升压，驱动超声波探头。该电路模块包含中周变压器(T1)和其它阻容元件。它
的功能就是提升单片机输出控制DM642[GPIO]脚发出超声波的一系列脉冲信号的幅度，依
据T1初级与次级的匝数比，将电压提升，使SENSORl脚发送的超声波信号达到一定的强
度，发射出足够强的超声波.

4．5．3超声波接收电路
当倒车雷达控制器发射10个40KHZ脉冲信号后就要接收超声波的回波信号。前面提到
超声波在发射时由于探头的震荡惯性作用产生一定时间的余波干扰。所以在超声波信号发
射之后，应根据测得的余波时间进行延时接收。等延时结束后启动定时器，计算超声波回
波的时间，如果长时问不能接收到回波的信号就证明汽车与障碍物之间的距离是安全的。
系统设定1m为安全距离，那么超声波在这段时间内所需要的时间为5．88ms。所以如果
在5．88ms内没有接收到超声波信号就可以证明倒车安全。如果在5．88ms内接收到超声波信
号，我们可以根据接收时IhJTl并I抗余波干扰延时时间T2计算出当前障碍物与汽车之间的距
离计算公式为：
S=(Tl+T2)．340／2．1000 (4．2)
其中T1年IJT2的时间单位为ms。但是接收的超声波信号也不一定是J下确的信号，也存在
很大的干扰成分所以在接收超声波信号时要定义接收到的超声波信号时间的上限和下限。
可以把200us作为下限300us作为上限这样只要超声波信号时间不低于或超过这个范围都
可以是合法的信号。这样就可以把很多干扰过滤掉，但是这样还是不够的，如果有的干扰
延时时间也在这个合法范围内怎么办?这样就会使我们的探测精度和稳定度下降，所以我
们需要一个限幅滤波算法把连续检测的几个数据进行限幅过滤。如果我们使用限幅滤波算
法就得考虑用多长时I、日J发射与接收一次发射接收后得到的数据怎样处理才是最可靠的。
根据我个人的实验证明每隔50ms发射接收一次，接收到的数据和上一次的数据经过
2．2ms的限幅滤波后得到数据很稳定每隔50ms发射接收一次。这样，可以排除大量周期性
的干扰，使获得干扰机会大大减小。2．2ms的限幅滤波，一方面可以过滤掉大部分的随机
干扰信号。另一方面可以保证汽车以lOm／s的速度倒车也不会影响到接收信号时过滤掉正常信号。

超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远
信号越弱，通常在几个mV左右。当然，不同接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信
号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：一是放大增益要大，以适应小信号时的
需要：二是放大增益要能适应信号变化范围大的需要。一另外，由于输入信号为J下弦波，因此
必须将放大电路设计成交流放大电路。
4．6转向信号提取
现在汽车上转向信号的获取主要是通过在转向装置上安装传感器的方法来实现，转向
传感器有滑动电阻、光电耦合等不同种类。前者是根据不同转角处滑动电阻的阻值不同，
输出不同的电压值，是模拟信号。后者是通过光电耦合产生脉冲信号， 由几个输出脉冲
共同决定转角大小和转动方向。下面简单介绍一下这两种传感器的工作原理口副。
(1)电阻式转向传感器
它由电位计、集成电路IC部分、电流信号输出部分组成。电位计实际上是一个滑动可
变电阻器，其滑动触点固定在输出轴上，电阻线(滑动部分)固定在输入轴上。当操作方向
武汉科技大学硕士学位论文第33页
盘时，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化。这种电阻值的变化经电路
处理最终以电流变化的形式从滑环与电刷输出结构将方向盘转向信号送至ECU中。ECU从该
电流信号可以判断出方向盘回转方向。即在设置值以上为向右旋转，在设置值以下为向左
旋转。并且以此来决定汽车的旋转方向。
电阻式转向传感器在早期应用较多。这种传感器体积大，价格低，由于是接触式结构，
工作时产生的摩擦使其易于磨损。
(2)光电耦合转向传感器

光电耦合转向传感器采用非接触式结构。方向盘转角一般是根据光电编码来确定的，
安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向、转角等信：息。这一编码盘上的信
息由接近式光电耦合器进行扫描。接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，
处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。方向盘转角传感器的输出为J下交
编码脉冲。正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期(90。)的固定
相位偏移，如图4．11所示。通过检N2路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针
方向，并据此对信号进行加／减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的绝对转
角，而转角的变化率即角速度，则可通过信号频率测出。另外，方向盘转角传感器有一个
零位输出信号，当方向盘在中间位置时，该信号输出OV，否则输出5V，通过该信号，可对
绝对转角进行在线校准。
考虑到实验条件的限制，本设计采用外接电位器来代替电阻式转向传感器。也就是通
过调节电位器的阻值使得输入处理器的电压信号变化，以此来模拟转向信号。
4．7本章小结
本章主要介绍了系统的各个功能模块的硬件电路。只要清楚了系统的硬件实现，我们
才能合理的编制系统软件。下一章将介绍系统的软件设计部分。

第六章系统测试分析及结论
系统测试主要包括超卢波测距和倒午诱导曲线绘制两部分内容。首先是将本系统的超
声波测距模块置于实验窀进行测距分析。然后，通过模拟转向信息来对诱导曲线绘制情况
进行分析。
6 1超声波测距实验及分析
为r鸵汪本系统的超声波测距模块的·Ⅱ话r土，对该部分进行了件能试验。实验中对化
怂器的删量范n可和精度进行了测定。然后对测时数据迸于J．丁误差分析，井提f}{了进步提
高测筻精度的故进方法。
6 16 1 1超声波模块数据测量与分析
测量方法：一先将超声波探头同定在块木板f。，通过移动水扳使探头与障碍物柑距
H：川的距高，进行连续删龄，然后观察测量结粜与实际距离进行对比。幽于实际测量上作
柏“_：}i性，最后仵测量中选取了5米以F的30cm、50cm、70cm、100cm、150cm、200cm、
2：，Ocm、：硼0㈣锋1 2个jI【[i离进行了删量，每个距离连续测最七次，得⋯测量数据(温度：25℃)，
如表6 1所Hi。