高精度超聲倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)

摘要：為解決超聲倒車?yán)走_(dá)指向性不足和存在探測(cè)盲區(qū)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小波束角超聲傳感器做扇形掃描探測(cè)的辦法。設(shè)計(jì)中使用步距角為7．2°的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)波束角為5°的超聲傳感器在每一個(gè)步進(jìn)角度上進(jìn)行測(cè)距。結(jié)合測(cè)距的角度和測(cè)得的距離就可得到準(zhǔn)確的障礙物位置信息。并且，由于傳感器的有效探測(cè)角度大于電機(jī)的步進(jìn)角度，所以每一次測(cè)距的探測(cè)范圍會(huì)相互交疊，消除了探測(cè)盲區(qū)的存在。實(shí)驗(yàn)證明，使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲傳感器進(jìn)行探測(cè)，其準(zhǔn)確度為傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)的6倍以上。
關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；倒車?yán)走_(dá)；探測(cè)盲區(qū)；步進(jìn)電機(jī)；扇形掃描

倒車?yán)走_(dá)，又稱為泊車輔助系統(tǒng)，是車輛泊車時(shí)的安全輔助裝置。倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)能夠在泊車時(shí)以聲音、指示圖形或視頻影像等方式向駕駛員反映車輛后方的環(huán)境狀況，解除視覺死角中的潛在威脅，提高車輛停泊的安全性。目前倒車?yán)走_(dá)的應(yīng)用十分廣泛，絕大多數(shù)車輛都已經(jīng)將倒車?yán)走_(dá)作為必不可少的標(biāo)準(zhǔn)配件。
目前的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)大多采用超聲波測(cè)距原理：通過(guò)超聲波測(cè)距裝置測(cè)取車輛后方的障礙物距離，以此為依據(jù)來(lái)判斷泊車環(huán)境。超聲波測(cè)距具有能量消耗緩慢、傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，且不易受光線、煙霧、電磁等干擾的影響，可以在各類天氣下使用；并且利用超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉、可靠性也好，因而廣泛應(yīng)用于各類倒車?yán)走_(dá)中。但是由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)自身的原因，以往的倒車?yán)走_(dá)只能夠模糊地判斷障礙物的大致位置，并不能準(zhǔn)確地指示泊車的環(huán)境狀況，而且總會(huì)存在一定的探測(cè)盲區(qū)。因此，設(shè)計(jì)無(wú)盲區(qū)的高精度倒車?yán)走_(dá)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 超聲波測(cè)距的特性
1．1 超聲波測(cè)距的原理
超聲波測(cè)距，是依靠超聲傳感器向外發(fā)射超聲波，然后接收超聲波遇到障礙物后反射回來(lái)的回波，依據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間間隔t以及聲波的傳播速度v，來(lái)計(jì)算傳感器和障礙物之間的距離S。即

式(1)中v為聲波傳播速度。在空氣介質(zhì)中，聲波的傳播速度會(huì)受到溫度、濕度、氣壓等因素的影響，其中溫度對(duì)聲波速度的影響最大，其補(bǔ)償關(guān)系為：

由此可知，超聲波測(cè)距中，聲波的傳播速度和聲波發(fā)射與接收的時(shí)間間隔是判斷距離的兩個(gè)依據(jù)。如果測(cè)距環(huán)境的溫度變化不大，或者系統(tǒng)對(duì)測(cè)距結(jié)果不要求有很高的精度，就可以忽略溫度對(duì)聲波傳播速度的影響，以v=340m／s的恒定值作為聲波傳播的速度，在這樣的情況下，回波時(shí)間的長(zhǎng)短就成為測(cè)距的唯一依據(jù)。
在超聲倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)的探測(cè)精度只要達(dá)到厘米級(jí)，所以一般不需考慮溫度補(bǔ)償，而只根據(jù)回波時(shí)間來(lái)判斷所測(cè)距離。
1．2 超聲波測(cè)距指向性的不足
超聲波測(cè)距裝置的核心部件是超聲傳感器，超聲傳感器是發(fā)射和接收超聲波的裝置。傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)，能量并不是均勻分布的，而是存在波束角的概念。
超聲傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)，沿傳感器中軸線的延長(zhǎng)線(垂直于傳感器表面)方向上的超聲射線能量最強(qiáng)，而其他方向上的聲波能量逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長(zhǎng)線為軸線，由此向外，至發(fā)射能量減少至半數(shù)(-3 dB)處，這個(gè)夾角被稱為超聲傳感器的波束角，如圖1所示。