引言

近年來(lái)智能駕駛領(lǐng)域迅速發(fā)展,系統(tǒng)對(duì)環(huán)境地圖的構(gòu)建要求精度高,包括避障系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等。目前避障技術(shù)主要有4種解決方法:紅外線傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器以及視覺傳感器。在智能測(cè)距感知系統(tǒng)中,比較普遍采用的是以51系列單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距,其成本低,硬件電路少且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),但在實(shí)際運(yùn)用中,51單片機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)抗干擾能力弱,因運(yùn)算速度響應(yīng)慢引起實(shí)時(shí)控制效率低等問題,導(dǎo)致測(cè)距精度不高。結(jié)合上述問題,本設(shè)計(jì)采用高性能的32位中央處理器TMs320C28335為主控芯片,擁有強(qiáng)大的操作能力和迅速的中斷響應(yīng)與處理能力,保證了測(cè)距的精度和速度,為實(shí)時(shí)構(gòu)建和調(diào)整環(huán)境地圖提供了極有效的參考。

1超聲波測(cè)距原理

超聲波通過介質(zhì)傳播,遇到障礙物反射回波,根據(jù)環(huán)境和障礙物的不同,超聲波在反射的同時(shí)也存在折射、散射和衍射等物理現(xiàn)象,這就給采集回波信號(hào)造成一定的影響與誤差。超聲波測(cè)距頻率高,方向性強(qiáng),傳播能量損耗小。根據(jù)研究表明,超聲波的振動(dòng)頻率與衰減系數(shù)呈正比,與能量呈反比。一般而言,高頻信號(hào)能量大、測(cè)距范圍廣,但是衰減系數(shù)相對(duì)較大,因此,超聲波測(cè)距的頻率一般選用40kHz。超聲波傳感器一般都包括發(fā)射器和接收器兩部分,超聲波有3種測(cè)距方法:(1)相位檢測(cè)法,測(cè)量返回波與發(fā)射波之間的相位差;(2)幅值檢測(cè)法,測(cè)量返回波的幅度大小;(3)渡越時(shí)間檢測(cè)法,測(cè)量回波的返回時(shí)延。相位檢測(cè)法最精確,但測(cè)量距離短;幅度檢測(cè)法受環(huán)境影響較大,精確度稍低;渡越時(shí)間檢測(cè)法的精確度較高,測(cè)量距離也較長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)采用渡越時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距,其原理如圖1所示。

考慮到超聲波發(fā)射的入射角9和障礙物與超聲波傳感器的垂直距離b,由圖1可得超聲波遇到障礙物反射距離與聲速之間的關(guān)系為:

式中,l為聲速;l為超聲波發(fā)射到障礙物的距離;t為超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間;a為超聲波發(fā)射器與接收器的中點(diǎn)距離。

由(1)(2)(3)式可求得測(cè)試距離b:

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TMs320l28335為主控芯片的DSP信號(hào)處理系統(tǒng),用其豐富的資源擴(kuò)展接口,設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距模塊、LCD顯示模塊、預(yù)警模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)

PFM調(diào)制脈沖波由l28335DSP系統(tǒng)的震蕩電路發(fā)出,通過三極管和變壓器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換成頻率為40kHz的方波信號(hào),超聲波換能器的發(fā)射電路如圖3所示。

超聲波發(fā)射后遇到障礙物反射形成回波,為提高回波采集信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,本設(shè)計(jì)采用具有放大、濾波、增益和整形功能的TL852作為超聲波接收芯片,外加電壓比較器組成回波接收電路,把采集整理后的回波模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊變成數(shù)字信號(hào)后,送入DSP系統(tǒng)進(jìn)行反饋和處理,回波接收電路如圖4所示。

2.3溫度補(bǔ)償電路

超聲波傳感器受溫度影響比較明顯,尤其是在室外的環(huán)境和早晚溫差較大的區(qū)域。根據(jù)研究表明,超聲波在空氣中的傳播速度與溫度呈反比,溫度每升高1℃,聲速將下降0.607m/s,兩者之間的關(guān)系可用下式表示:

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了5L32芯片實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度,因它可輸出溫度為0M時(shí)的電壓值,并且檢測(cè)精度高,可達(dá)±0.6℃,抗干擾能力較強(qiáng),線性度較好。跟Ds18B＋0溫度傳感器不同的是,Ds18B＋0輸出的是數(shù)字信號(hào),可直接傳輸?shù)街骺匦酒M(jìn)行信號(hào)處理,而5L32輸出的是電壓值,屬模擬信號(hào),因此需要A/D轉(zhuǎn)換模塊的ADC0804芯片把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),才能送入DSP系統(tǒng)進(jìn)行處理。溫度采集和轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

2.4LCD顯示模塊

LCD液晶顯示模塊為1＋8×64點(diǎn)陣,內(nèi)置國(guó)標(biāo)GB＋31＋碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)、1＋8個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64×＋26點(diǎn)陣顯示RAL(GDRAL)。由于DSP的I/o端口的驅(qū)動(dòng)電壓是3.3V,sN745VTH16＋＋42具有三態(tài)輸出的3.3VABT16位總線收發(fā)器,利用sN745VTH16＋＋42對(duì)5CD模塊進(jìn)行了電平的轉(zhuǎn)換,5CD的信號(hào)線通過CP5D連接到DSP上,通過操作映射地址就可以直接操作5CD模塊。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該DSP系統(tǒng)基于C語(yǔ)言的CCs3.3開發(fā)環(huán)境,中控系統(tǒng)安裝在汽車內(nèi)部,超聲波傳感器可安裝的部位如圖6所示。超聲波的道路邊沿檢測(cè),按照相關(guān)規(guī)定,三級(jí)以上多車道公路每條車道寬度多為330~372cm,小型轎車寬度多為120~＋00cm,車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)車輛橫向定位精度的要求要遠(yuǎn)高于縱向定位精度,通過道路邊沿?cái)?shù)據(jù)與車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)融合,來(lái)濾除車道外環(huán)境的干擾,4組超聲波傳感器平行布置于智能車的左、右兩側(cè)。超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)為傳感器安裝位置到道路邊沿的距離。因此,它既可以在停車過程中測(cè)距避障,又可以檢測(cè)到汽車兩側(cè)與相鄰車輛的距離,從而調(diào)整駕駛路線。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1溫度補(bǔ)償測(cè)試

選擇一天之中的不同時(shí)間段,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行有溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)距精確度測(cè)試,以無(wú)溫度補(bǔ)償測(cè)距作為參考組,測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,有溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)距系統(tǒng)的誤差率最高只有0.9%,而無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)恼`差率高達(dá)5.8%。由此可知,有溫度補(bǔ)償電路的測(cè)距系統(tǒng)能夠大大提高測(cè)距精度,是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

4.2報(bào)警測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)報(bào)警功能的靈敏度和可靠性,分別設(shè)置200cc、m00cc、300cc三段距離,每一段距離分別設(shè)置50cc、100cc、150cc三個(gè)預(yù)警距離,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

以上數(shù)據(jù)測(cè)試了系統(tǒng)測(cè)量距離與實(shí)際距離的誤差率,以及小于設(shè)定的報(bào)警距離時(shí),無(wú)人駕駛系統(tǒng)是否能夠及時(shí)調(diào)整位置和路線,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得誤差率小于m%,基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5結(jié)語(yǔ)

本文分析了基于4sP的智能駕駛測(cè)距系統(tǒng),相比功能較單一、算法有限的單片機(jī),4sP作為核心系統(tǒng),其精準(zhǔn)與迅速的數(shù)字信號(hào)處理能力和強(qiáng)大的事件管理能力,保證了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精確度,最大可能地減少誤差,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路也在很大程度上減少了測(cè)量誤差,從整體上大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的效率。