王 锋， 潘梦鹞， 郇锐铁， 吕小勇

（广东工贸职业技术学院， 广东 广州 510510）

随着人民生活水平的提高，汽车日益增多，泊车逐渐成为了人们关注的一个重要问题。泊车入库时，汽车自带的雷达在车体后退且靠近后方障碍物时，会发出声音报警，这对泊车入库有一定的辅助作用；此外，部分高级轿车带有倒车后视影像，这也有助于泊车入库。但在泊车入库过程中，若一次倒车入库不成功而需前行调整时，当车体接近车前障碍物，雷达压根不报警，倒车影像亦无提示，此时只能凭目测或感觉前行挪动。此外，泊车入库过程中，无论雷达或倒车影像是否有报警或提示，但均无法给出车体与前后障碍物之间的实际距离，无法确认车头或车尾还有多少挤压空间，只能凭感觉进行挪动，这对于新手驾驶员泊车入库或在狭小的空间侧方停车时犹为不便，尤其是在狭小的道路进行侧方停车时，在其它行驶车辆的催促下，稍不留神就可能刮蹭到前后车或别的障碍物，进而造成财产损失或引起纠纷。本文设计的超声波泊车辅助系统可有效解决这一问题。

与传统的超声测距相比，本设计结合可视化的测量技术，采用由6组超声波传感器组成探测网络，对车体与前后障碍物之间的距离进行全面测量，测量值送入12864液晶屏实时显示，并根据6组超声波传感器测量所得的数据，给出报警文字提示及不同频率的声音报警信号。超声波泊车辅助系统使用简单，直观便捷，显示内容清晰，方便在汽车运动过程中对数据进行观测，是辅助泊车的得力工具。

1 超声波测距原理

目前，障碍物探测很多采用超声波传感器。超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高、适用范围广、方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，覆盖面较大等优点。目前，超声波测距已广泛应用于液位测量、避障、测距及检测等领域，应用前景广阔［1-5］。

超声波测距的工作原理：发射器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收器接收回波［6］。通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差t，求出目标障碍物距信号发射源的距离d，计算公式为：

式中：v——超声波波速，m/s；t——发射超声波与接收回波之间的时间差，s；T——环境温度，℃；S——海水盐度，按千分比计算；P——海水静压力，Pa。

2 超声测距模块及其工作原理

本设计采用的超声波测距模块，其原理图如图1所示，图2为其超声波时序图。

当超声波测距模块的Trig端 （图1的J1-3脚） 收到一个10us以上的脉冲触发信号时，该模块内部将发出8个40kHz脉冲信号，并从Echo端 （图1的J1-2脚） 输出回响信号。当模块检测到回波信号则停止输出回响信号，如图2所示，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。通过计算发射信号到收到回响信号的时间就可以根据公式 （1） 计算得到发射器与障碍物之间的距离d。为避免发射信号对回响信号的干扰，建议测量周期为60ms以上。

图1 HC-SR04超声波测距模块原理图

图2 超声波时序图

3 超声波泊车辅助系统的设计与实现

3.1 系统硬件设计

本文设计的超声波泊车辅助系统由主控单元、超声波探测网络、温度传感器、液晶显示模块、报警模块等构成，其结构框图如图3所示。主控单元采用微芯 （Microchip） 公司的PIC16F877A，主要用于距离信号采集、温度信号采集及数据修正、液晶显示控制、声音报警控制等。温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20单总线数字式温度模块，温度信号用于修正超声波传感器检测的距离值，以提高检测精度。显示模块采用12864液晶，报警模块采用带驱动电路的蜂鸣器模块。超声波探测网络由6个HC-SR04模块组成，车头和车尾各安装3个，其安装示意图如图4 所示，其中前中与后中安装于正前、正后方向，前左与前右及后左与后右均与车体成45° 角，用于检测前左、前中、前右、后左、后中、后右6个位置与障碍物之间的距离。

图3 超声波泊车辅助系统结构框图

图4 超声波探测网络安装示意图

3.2 系统软件设计

系统软件采用模块化设计，主要包括：超声波探测网络距离测算程序、温度测算程序、数据处理程序、显示程序、报警程序、中断服务程序等。图5为主程序流程图，系统轮流发出6组触发脉冲，每组触发脉冲输出后进行回波检测，用于获取超声波在车前及车尾6个方向的传输时间，回波时间与检测距离成正比，检测距离经温度修正后发送至12864液晶显示，当距离过小时，给出报警文字提示及不同频率的声音报警信号，距离越小，报警声音频率越高。

图5 超声波泊车辅助系统程序流程图

3.3 系统的硬件实现

根据系统硬件结构框图搭建硬件模型，按系统程序流程图编写控制程序，对系统功能进行测试。图6、图7分别为超声波传感模块车前车后测点安装图，由6个超声波传感模块组成一个超声波探测网络。前中与后中传感模块安装于车辆正前、正后方向，前左与前右及后左与后右传感模块均与车体成45°角，分别用于检测前左、前中、前右、后左、后中、后右6个位置与障碍物之间的距离。图8为控制及报警、显示模块，在距离较小时，能及时发出文字及声音报警，降低车辆碰撞事故概率。

图6 车前测点安装图

图7 车后测点安装图

4 测量结果分析

图9为倒车过程中车尾障碍物的一组测试数据，其中后左为25cm， 后 中 为20cm，后右为25cm，前左为400cm，前中为195cm， 前 右 为400cm。对于车尾传感器数据，因后左与后右传感模块与车体成45°角，故后左与后右测量值稍大于后中测量值，车辆直线倒车时应以后中数据为准。对于车前传感器数据，前中测量值为195cm，表明车辆与正前方障碍物距离为195cm，因前左与前右传感模块与车体成45°角，前左与前右传感模块未检测到障碍物，故前左、前右显示最大测量值400cm。

图8 控制及报警、 显示模块

图9 系统倒车测试数据

表1数据为系统测量距离与实际距离的测量记录，系统测量数据只保留整数部分。经多次测试，并与实际距离值对比，系统测量误差约1cm，满足使用要求。

表1 测量数据记录cm

5 结语

超声波测距具有精度较高、成本低、抗干扰强等优点。本文利用由6组超声波模块组成的超声波探测网络对泊车过程中的车前、车后障碍物距离进行全面测量，在距离过小时给出文字及声音报警提示，可以有效降低泊车过程中的碰撞事故，缩短泊车时间。经多次测试，系统误差在1cm以内，满足使用要求。在此基础上，可以进一步优化超声波探测算法，提高测量精度，提高系统的可靠性及实用性。