基于超声波测距的模拟自动跟车系统设计

李亚兰

摘要：随着ADAS技术研究的深入，自动跟车系统的设计成为研究的重点，而跟车过程中，跟车距离的实时调整性成为技术的难点。本文采用超声波测距和程序PWM调整的方法实现跟车行进中的实时性。系统通过超声波传感器测量距离，L298N为电机驱动模块，以单片机为控制器，实现跟车的速度和距离的精确控制，同时用LCD1602显示当前的距离值。

关键词：ADAS;自动跟车;超声波测距

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）22-0244-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着交通运输业的发展，交通安全问题日益严重，将智能控制技术引入车载系统成为降低交通事故的一种重要手段，因此，汽车先进辅助驾驶系统[1]成为全球汽车电子研究的热点，自动跟车技术则为该辅助驾驶系统的主要部分，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、雾霾以及被测对象颜色等因素的影响，在较恶劣的环境下具有很强的适应能力，因此文中的自动跟车设计采用超声波传感器测距，再通过所测距离自动调整与前车的距离和跟车的速度，形成一种闭环式的自动控制系统，达到不撞车、不丢车的跟车状态。

1系统方案框图

系统总体框图如图1所示，系统由MCU、L298N电机驱动、HC-SR04超声波传感器、LCD1602显示屏、电源电路组成。超声波传感检测本车与前车的实时距离，本文采用两个超声波模块，分别放在小车的左前方和右前方;MCU发出测距指令、接受距离数据并进行数据处理，将测量结果转换为PWM值输出给电机驱动单元电路L298N，通过控制电动机的转速达到控制小车加速、减速、转向，并保持与前车的适当距离。LCD1602用于显示小车的行进状态参数。

2 超声波测距算法

本文采用时间差测距法，即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

假设超声波在空气中的传播速度为340m/s，定时器记录的时间为T，发射点距障碍物的距离为S，则：

在设计中，采用两个超声波传感器分别放在小车的左前方和右前方，若两个超声波检测的距离一样，即两个超声波的差值为0，就代表前面的小车是在直线行驶，若两个超声波的差值不为0，就代表前面的小车在进行转弯，根据两个超声波之间检测距离较小的值为依据，可以判断前方小车的转弯方向。

3 系统硬件设计

3.1測距单元电路设计

HC-SR04超声波传感器测距范围为2cm-400cm，测距精度3mm。该传感器共四个引脚，分别为，电源、地、TRIG、ECHO;给TRIG端10us的高电平信号，模块自动发送频率为40KHZ的8个脉冲，传感器自动检测是否有信号返回，通过ECHO端产生输出指示信号，如果有收到返回信号则可输出一个高电平给单片机，高电平持续的时间就是超声波发射到返回的时间。

上图中，R1，C3，R2构成单片机高电平复位电路，C1，C2，Y1构成单片机时钟电路，HC-SR04第一脚为超声波传感器的TRIG信号，第三脚为超声波传感器的ECHO信号，在小车行进中，MCU通过P0.0输出10微秒的高电平，HC-SR04发出8个脉冲，当传感器收到返回的超声波时，P0.1为高电平，通过定时器得到高电平对应的时间便可计算出所测距离值。

3.2驱动电路子系统电路设计

文中采用了两个L298N芯片，分别控制小车两边的车轮电动机的驱动。L298N为双H桥驱动芯片，驱动电流最大2A，提供最大功率20W，提供4路输入信号，两个使能端支持PWM调速，可以方便地控制直流电机速度和方向。

上图中，电动机的驱动电压为直流12V，IN1-IN4接单片机I/O口，高低电平分别对应OUT1-OUT4高低电平; OUT1，OUT2接电动机B，OUT3，OUT4接电动机A，OUT1和OUT2之间有电压差即一个为高一个为低，电动机才转动，OUT3，OUT4同理;通过控制IN1、IN2的极性可以实现电动机B的正反转、停止状态，从而实现车轮的前进、后退、停止动作;控制IN3、IN4的极性可以实现电动机A相应的状态。

ENA和ENB分别连接来自MCU的PWM信号，当PWM占空比高时，则L298输出的平均电压高，电动机转速则增高，反之则降低。

4 系统软件设计

主程序主要完成系统初始化、跟车开始以及跟车过程中各子流程的调用;整个程序包含六个子程序，分别为显示子程序，超声波测距子程序，距离计算及前车状态判断子程序，跟车距离在设定的范围内调整子程序，跟车距离在设定的范围外调整子程序;如果与前车的距离在设定的范围内则只需要通过PWM调整与前车的跟车方向，如果在范围外则需要通过时调整与小车的方向和速度，图中给出了如果距离在跟车范围内的调整子程序流程。

5 结束语

本文设计并实现了基于超声波测距的小车跟车系统，在后车与前车方向角度小于30度时能实现15厘米到10米范围的自动跟车，但在弯道跟车时，如果保持3米/秒的速度，小车最多能实现45度弯度的自动跟车，如果要提高跟车的准确性，不丢车、不撞车，则可以对超声波收发窗口进行机构的重新设计和处理，如增宽测量角度，或采用超声波传感器阵列[3]同时测量，优化软件前后车方向判断算法等。文中所设计的模拟自动跟车系统能较好地应用于ADAS系统中。

参考文献：

[1] 张志强.ADAS的发展历程及趋势[J].内燃机配件，2019.

[2] 徐江海.单片机应用技术[M].北京： 机械工业出版社，2011.

[3] 辛喆，邹若冰，李升波，俞佳莹，戴一凡，陈海亮.基于超声波传感器阵列的车辆周围目标物识别[J].清华大学学报（自然科学版），2017（12）.

【通联编辑：光文玲】