基于超声波的汽车并线辅助系统设计

罗文钧 张留宇 刘炳川 周 俊

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲412007）

0 引言

随着社会经济的发展，人民生活水平日渐提高，越来越多的人拥有了汽车，然而伴随着的却是越来越多的交通事故。车辆碰撞事故主要分为车辆追尾、车辆并线角碰和车辆并线侧刮三种。由于汽车后视镜本身存在视觉盲区，以致驾驶员无法及时、准确地获知后方车辆的动向，因此车辆并线侧刮便成为两车碰撞事故中最常见的一种。基于此现象，我们利用超声波原理开发了一套完整的监控报警辅助系统。当驾驶员做出变道的动作时，系统开始检测与相邻车道后方车辆车距，一旦车距小于安全并线距离时，车辆将发出声光报警提醒驾驶员，从而在一定程度上防止两车发生碰撞。

1 汽车后视镜盲区

根据光学原理，可以容易地计算出车辆后视镜的视角，角度确定后就能按比例准确地画出盲区。选择一辆中等大小的乘用车，测量其镜面宽度，曲面镜的曲率半径，眼睛到镜子的纵向和横向距离。驾驶员的座椅分别调到最前面、中间、最后面分别进行测量。后视镜的视角如表1所示，表1中间位置的视角用来描绘平均身高驾驶员的视角[1]。

表1 双目视角Table1 The binocular visual angle单位：（°）

2 超声波传感器及其测距原理

2.1 超声波传感器

超声波传感器测距是一种非接触式的测量方式，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常被用于距离的测量。它不受被测对象的颜色、表面灰垢等影响，特别是能够在黑暗的环境中完成测量任务。对环境有较强的适应能力，因此能够较好的应用于汽车并线辅助系统的测量任务。

2.2 超声波测距原理

超声波测距的工作原理是利用超声波发射器向某一个方向发送超声波，同时开始计时，超声波在空气中传播。当碰到物体时马上返回。当超声波接收器收到超声波时立即停止计时。已知超声波在空气中传播的速度为340m/s，由计时器记录的时间t，并可计算发射点距离被测物体的距离S，即S=340t/2[2-4]。

3 系统硬件设计

3.1 系统的整体设计方案

系统的整体方框图如图1所示，系统硬件部分主要由STC12C5A60S2单片机系统、报警电路、超声波发射与接收电路、电源电路四大部分构成。

系统原理：由STC12C5A60S2单片机控制超声波传感器。单片机通过P2.0、P2.1作为IIC通信的总线从超声波收发模块（KS103）中读出相邻车道后方车辆与本车的车距。单片机将读取到的数据与预置的安全距离比较，判断是否需要发出报警信号。

3.2 超声波发射与接收模块

本系统测距部分采用超声波测距模块（KS103)，此模块具有实时温度补偿距离探测功能，大大降低了因环境温度影响而带来的测量误差，探测范围1cm-1000cm(10米)。KS103使用IIC总线与主机进行通信，自动响应主机的IIC控制命令，扩展对其他方向车辆的监视也简单的多，以致占用单片机的资源和I/O口大大减少，KS103还具有探测频率高、工作电压宽、功耗低等特点。因此KS103能较好的应用于汽车并线辅助系统。

3.3 单片机控制电路

超声波发射与接收模块输出的回响信号从单片机的INT0输入由定时器来测量高电平时间（超声波传播的时间）。单片机利用时间计算出距离并与预置的安全距离进行比较,如果需要报警，单片机将通过P1.1和P1.2分别控制蜂鸣器发声（距离越近音量越大）和红色LED灯闪烁（距离越近亮度越大）[5]。

3.4 报警电路

报警电路部分主要由蜂鸣器和LED灯组成。硬件电路如图2所示，在汽车并线的过程中，利用单片机产生一定频率的方波信号来驱动蜂鸣器发声和LED灯闪烁。当相邻后方的车辆距离大于安全距离时，进行下次测量，不发报警信号。当相邻后方的车辆距离大于安全距离（本系统设置安全距离为8m）时，发出报警信号并通过控制方波的频率和占空比分别来控制蜂鸣器的音量和红色LED灯的亮度，距离越近音量和亮度均越大[5]。

4 系统的软件设计

汽车并线辅助系统根据超声波测距原理，用STC12C5A60S2系列单片机开发设计。整个软件部分采用前后台多任务程序设计，由主程序、超声波测距子程序、报警子程序等任务组成。

主程序流程图如图3所示。软件设计的主体思路是采用前后台任务模式，将测距和报警编成独立任务的形式，每隔一定的时间运行一次。其他时间单片机进入低功耗模式，降低整个系统的功耗。单片机启动并开始初始化配置，包括配置超声波测距模块的工作模式、定时器初始化配置。定时100ms则开始依次执行超声波测距任务、报警任务。

超声波测距子程序设计为进入该任务后并开始通过IIC通信读取测距模块中的数据、处理数据。再次发出探测指令。因为KS103在发送探测指令后要等待87ms，而下一次进入该任务是100ms以后，满足等待时间的要求。这样就比用delay();延时更加节约资源。

报警子程序设计为进入任务后将安全距离与探测距离作差，根据结果区分相邻车道后方的车辆相对于本车的位置。从而判断是否发出报警信号以及报警信号的音量和亮度。

5 小结

利用51系列单片机设计汽车并线辅助系统，系统简单，测量准确，工作稳定。在本设计中采用超声波测距模块（KS103），带温度补偿，精度高。采用IIC总线直接与主机进行通信，比用单片机直接计时测量的精度要高。但需要注意的是：超声波测距模块必须与汽车成20°左右的夹角，才能充分检测盲区。然而，驾驶员必须注意，汽车并线辅助系统所起到的仅仅是辅助作用，仍然无法完全替代驾驶员作出判断，即便安装了并线辅助系统或者其他辅助系统，驾驶员仍然需要时刻保持安全意识，亲自观看两侧后视镜以及观察交通状况[6]。

［1］吴佳林,孔军.汽车后视镜盲区及预测方法[J].武汉理工大学学报,2010（32）.

［2］肖质红.超声波测距在汽车安全系统中的应用[J].浙江万里学院学报,2007（20）.

［3］麦锦文.超声波技术在汽车防撞系统设计的应用[J].装备制造技术,2010（6）.

［4］奠石镁.超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用[J]2007（1）.

［5］高川,谈振藩.基于AT89C2051的超声波测距系统[J].应用科技,2006（11）.

［6］陆明辉.奥迪Q7驾驶辅助系统之换道系统[J].汽车电器,2008（10）.