自动泊车超声传感器系统设计

传感器与仪器仪表

自动泊车超声传感器系统设计

DesignofultrasonicsensorsystemforAutomaticparking

(国防科学技术大学)

靳霖霖曾迎生宋金泽

JINLin-linZENGYing-shengSONGJin-ze

摘要:文中设计并实现了一种超声传感器系统,主要应用于在自动泊车系统中汽车对泊车环境的感知。根据超声回波的特点来设计硬件电路以及编制相应的软件程序,增强了超声传感器检测环境信息的灵敏度和数据的稳定性。该系统可提高汽车自主驾驶系统对泊车环境的感知能力,是汽车主动安全功能的关键部分,具有很好的应用价值。关键词:超声传感器系统;驱动电路;自动泊车;灵敏度;稳定性中图分类号:TP274+.53文献标识码:A

Abstract:Anultrasonicsensorsystemhasbeendesignedandrealizedinthispaper,whichismainlyusedtogettheparkinginfor-mationoftheenvironmentinautomaticparkingsystem.Basedonthecharactersofultrasonicechoedsignals,thecircuitandsoftwarehavebeendesigned,withwhichthesensitivityandthestabilityoftheultrasonicsensorareenhanced.Thesystemcanimprovethea-bilityofauto-drivingsystemingettingparkinginformationoftheenvironment,isanimportantpartoftheauto-activesecurityandcanbewidelyused.Keywords:UltrasonicSensorSystem;Drivingcircuit;AutomaticParking;Sensitivity;Stability

1引言

随着经济的发展,人们生活水平的提高,汽车越来越普及。但是,汽车数量的激增便带来了泊车位紧张的问题,每辆汽车的泊车位越来越小,在此情况下,将车顺利地停到车位上成了很多驾驶员的麻烦事。自动泊车解决了驾驶员的烦恼,提升了汽车的主动性安全水平和停车场的利用率,同时也是汽车智能化的一个标志。自动泊车需要把车位的环境信息提供给自主驾驶系统进行车辆控制,由于超声波传感器具有结构简单、体积小、费用电磁和灰尘干扰等特点,被广低,信息处理简单可靠,不受光照、

泛地应用于移动机器人对环境的感知和建模中,本文设计并研制了应用于自动泊车的超声传感器系统。

应用超声传感器进行距离测量的方法很多,本文采用脉冲回波法,其工作原理是:用电振荡脉冲激励超声波探头,使之向外界辐射超声波,并接收从被测物体反射回来的超声波,通过检测从发射超声波至接收回波所经历的时间间隔t(称为射程时间TOF),然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d,即

统主要针对停车场车位的环境感知,用超声传感器来测量车位信息,判断车位是否满足停车的需要。但用于自动泊车的超声传感器系统还很少见诸报道。一些通用的超声传感器系统方案可以从类似的系统中得到借鉴,如文献基于ATC52单片机设计了一种多超声信号融合系统,融合多路通道信息来达到准确测

本文从自动泊车任务要求出发设计并研量,在应用上很有特色。

制了超声传感器系统,提高了汽车自主驾驶系统对泊车环境的感知能力。

技术创新

2系统硬件电路设计

式中,c为空气介质中声波的传播速度。

汽车自动泊车需要实时准确地掌握环境中的车距和车位信息,要求超声传感器具有探测灵敏度高,系统获得的距离信息准确,而且数据稳定,并要满足泊车的实时性要求。倒车雷达作为驾驶员安全倒车和泊车的辅助手段应用越来越普及,如文献设计的超声波倒车雷达系统,通过利用来检测汽车在倒车过程中车尾与障碍物之间的距离信息来发出报警等级。还有一些系

靳霖霖:在读硕士研究生

基金项目:申请人:刘肖琳曾迎生;项目名称:车辆主动安全关键技术研究;颁发部门:国家自然科学基金委员会(90820015)

图1系统结构框图

如图1所示系统的硬件组成包括:微控制器及信号采集模块、串行通讯模块、超声波驱动电路、回波检测模块、接口保护电路等。基本的工作原理是:由单片机产生固定周期的频率约为76.5KHz的数字振荡电平脉冲,经驱动电路将脉冲放大激励超声换能器工作,超声换能器接收反射回来的超声回波信号并产生微弱的电压,经回波检测模块放大,最后将波形采样送入单片机,单片机计算从脉冲发出到接收到回波的时间,该时间数据经串口传输到上位机并得出相应的距离信息,同时上位机也可通过串口向超声传感器发送控制指令。

2.1微控制器及信号采集模块

本系统采用的微控制器是美国ATMEL公司生产的ATC52单片机,片内含8K字节的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM),具有1000次擦写周期和256字节的随机存取数据存储器(RAM),32个可编程I/O口线,3个16位定时/计数器,该单片机具有较多的片内资源,保证了数据处理所需的存储空间,最高晶振频率支持到80MHz,数据计算速度高,而且外围电

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《PLC技术应用200例》

传感器与仪器仪表

路简单易构成控制和数据处理系统。

模数转换芯片本系统采用MAX197是由美国MAXIM公司生产的逐次逼近型低功耗模数转换器,输入量程可用软件选定不同范围,有8路模拟输入通道,12位转换分辨率,转换时间为6微秒,采样速率为100kSPS,而且MAX197控制字节的写入和转换结束后的数据读出都是由8位并行接口完成的,这使得单片机能把MAX197作为一个I/O端口来寻址,应用起来很方便。MAX197模数转换起动是通过写控制字来实现的,每当单片机向其写入一个控制字时,同时也就起动了一次相应的转换。

2.2超声波驱动电路

如图2所示为一路超声波驱动电路,其功率放大级由三极管2N4401和功率管IRF520两级构成。这种电路是采用在饱和区工作的功率管开关作为激励功率级,以降低功率管的功耗。该电路的特点是当信号输入端为低电平时,功率管IRF520栅源极电压UGS为零,功率管的静态漏极电流ID也为零。而当输入信号为交替的方波脉冲时,则在功率管的漏极产生较大的交变电流,激励变压器工作。

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第5-1期

上具有无限增益运算放大器赋以多路反馈构成的滤波电路。本系统采用高阻抗运算放大器(TL084)和RC阻容元件构成的有源带通滤波器,其滤波器参数为:

,

,

技术创新

可先选定C3=C4=500pF,ωc为带通滤波器中心角频率,ωc=80KHz;Ap为滤波器的增益,Ap=3;Q为品质因数,Q=4,由以上方程联立得,R8=5.3kΩ,R9=510Ω,R10=32kΩ。滤波器输出后就可以直接进行A/D采样。

系统中超声换能器工作方式为收发同体,因而收发信号之间要产生干扰,较大的发送信号能量有可能直接进入接收电路,它要比回波信号大得多,因此,放大器会饱和,在有些情况下甚至会损坏放大器,而且如果超声换能器两端直接接放大电路会使超声换能器的驱动电压下降,低于超声换能器工作电压,达不到良好的测距效果。为此,本系统设计了一种接口保护电路,电路中R5和C2起到分压的作用,三极管Q3的集电极和基极构成了一个负反馈回路,如果集电极正电压过高则三极管导通将电压将下来,使集电极电压平衡在一个合适的范围内;一个反向的二极管则起到箝位作用,如果超声换能器信号端为负电压,则二极管将电压箝位在安全的范围内,保护了后面的放大电路。

3系统软件设计

系统软件分为单片机软件和上位机软两个部分。3.1单片机软件设计

单片机软件实现的功能有:两路超声波脉冲发送、延时采样、回波时刻计算、数据上传并能响应上位机中断命令,来控制各超声通道工作。单片程序主框架如图4所示。由于在自动泊车系统中需要准确感知车位信息,这就要求超声传感器能根据车场中有车无车在纵向距离上的不同,勾勒出完整的车位轮廓,所以单片机必须按照严格的时间间隔计算上传距离信息,在本系统单片机软件中时间间隔为50ms。

为了防止因为系统白噪声变化而造成测量的回波时间不准确,在检测计算子程序中我们采用自适应阈值法,令回波的门限值随着系统平均噪声幅值的变化而变化。针对有个别尖峰噪声的幅值超过回波幅值的情况,我们利用超声回波波形的宽度信息,采用多采样点检测的方法,将超声回波与随机尖峰噪声取区别开来,消除了尖峰噪声干扰,使检测数据稳定。

图2超声波驱动电路

在电路中增加74CH00与非门,一方面是增加单片机方波信号的驱动能力,产生足够大的基极电流控制三极管工作;另一方面是将信号反相,使得功率管在有脉冲信号的情况下工作,无信号时截止,起到减少电路的功耗,保护功率管的作用,否则功率管长时间处于导通状态,管耗增加,会使功率管温度急剧上升,甚

另外,由于单片机方波信号经过与非门后波形至会烧毁功率管。

失真,使得方波上升沿上升时间变长,也会增大功率管的管耗,发热量增加,所以在与非门的输出端增加一个去耦电容C1,校正了波形失真,减小了管耗。

2.3回波检测模块

回波检测模块分为放大电路和滤波电路两个部分如,图4所示。放大电路是一个由精密、高输入阻抗仪表放大器AD620构成的精密放大器。AD620是一种电阻可编程的放大器,整个放大器具有很高的精度和共模抑制比,其增益范围在1~1000之间,由管脚1、8之间的电阻R7调节,其增益公式为:

G,

49.4k,

,1R7

在本系统中取R7为200Ω,放大增益约为240倍。

图3回波检测电路

系统采用无限增益多路反馈型滤波电路,它是由一个理论

-114-360元/年邮局订阅号：82-946图4单片机程序主框架

3.2上位机软件设计

上位机软件使用VC++6.0开发,主要功能是通过计算机串口发送命令控制单片机工作,可以实现单片机采样周期的选择,

《现场总线技术应用200例》

您的论文得到两院院士关注传感器与仪器仪表

(上接第117页)则需要查找数值模型本身等方面是否存在问题,而不能背离区域背景对洪水深度和淹没面积等参数进行确定,这样使得目标函数符合实际情况下最优,提高同化模型精度。为了不在参数的校正过程中得参数超出了其区域背景许可的范围,同时提高伴随法的求解效率,我们采用了基于统计的方法来对伴随法的进行优化,及在同化开始时利用训练场数据,基于信息统计技术,用回归分析等方法建立相关关系模型,从而对洪水模型的初始值进行大致估算。具体的同化过程如图2所示。

初始阈值的设置,超声通道的选择和组合等功能,并将单片机采

集检测的多路信息进行融合处理,为自动泊车系统提供实时准确的车位环境信息。软件的运行界面如图5所示。

4总结

本研究的创新点有两点,一是提出了基于不同传感器的专题信息同化概念,建立与传感器无关的统一的专题信息规范;二是提出建立多源专题信息的同化模型,从而提供具有时空

图5上位机软件运行界面

一致性和物理一致性的更高层次的专题信息。为提高洪水监测的时间分辨率提供了一条新思路。本技术的研究尚处于初步探索阶段,所使用的方法还有待提高改进。参考文献

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“3S”技术构建农业灾害监测信息系统[4]张金恒,朱德柱.基于

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—一种集成多源地理空间数据的新[8]李新,黄春林.数据同化——

思路[J].科技导报.2004(12).13-16.

[9]CEOS.2006.TheCEOSVirtualConstellationConcept(draft)10March2006.wgiss.ceos.org/meetings/wgiss21/Joint%20WGISS－WGCV%20Session/CEOS%20Constellations%20v0.4.doc

作者简介:张倩(1983-),女(汉),北京人,中国科学院对地观测与数字地球科学中心硕士研究生,研究方向:面向洪水监测的网格服务技术的研究;李国庆(1968-),男(汉),河南人,中国科学院对地观测与数字地球科学中心研究员,研究方向:空间信息网格。Biography:ZHANGQian(1983-),Female,Beijing,CenterofEarthObservationandDigitalEarth,SignalandInformationProcessing,GridTechnologyforFloodMonitoring.(100086北京中国科学院对地观测与数字地球科学中心)

张倩赵灵军李国庆于文洋

4小结

本系统是根据自动泊车应用而开发设计的,经实验证明本

稳定、可靠符合自动泊车应用要求。系统简单、

本文作者的创新点为:(1)针对自动泊车系统需要实时感知泊车环境的需要,设计了多路超声传感器系统,软硬件结构紧

系统可靠性高。(2)硬件电路上,改进了针对泊车用测距超声凑、

换能器的驱动与接收电路,设计了超声换能器与接收电路之间的接口保护电路,起到了良好的效果。(3)本系统采用自适应阈值多点检测回波算法便于在ATC52单片机系统中快速实现,满足了自动泊车系统的实时性要求,同时具有一定的抗噪声干扰的能力,保证了数据的稳定性。(4)整个系统具有良好的便携性和抗干扰能力。参考文献

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[4]张国雄,金篆芷.测控电路.北京:机械工业出版社,2001.

作者简介:靳霖霖(1983.09-),男,汉族,国防科技大学机电工程与自动化学院在读硕士研究生,主要研究方向超声传感器;曾迎生(1966.09-),男,汉族,博士,国防科技大学机电工程与自动化学院副教授,主要研究方向为模式识别、传感器信息处理;宋金泽(1979.4-),男,汉族,国防科技大学机电工程与自动化学院博士研究生,主要研究方向智能控制。

Biography:JINLin-lin(1983.09-),male,Han,CollegeofMe-chanicalEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDe-fenseTechnology,master,majoringinultrasonicsensor.(410073长沙国防科技大学机电工程与自动化学院)靳霖霖

曾迎生宋金泽

技术创新

(CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDefenseTechnology,ChangSha410073,China)JINLin-linZENGYing-shengSONGJin-ze

通讯地址:(410073湖南长沙国防科技大学机电工程与自动化学院学员六队)靳霖霖

(收稿日期:2009.06.02)(修稿日期:2009.09.02)

(100190北京中国科学院研究生院)张倩

(CenterforEarthObservation&DigitalEarthChineseA-cademyofSciences,Beijing100086,China)ZHANGQianZHAOLing-junLIGuo-qingYUWen-yang

(GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)ZHANGQian

通讯地址:(100086北京市北三环西路45号)张倩

(收稿日期:2009.06.01)(修稿日期:2009.09.01)

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