张 乐

（同致电子科技（厦门）有限公司，福建 厦门 361006）

0 引言

汽车作为人们日常交通工具，截止到2021 年，全国汽车保有量超过4 亿辆，各类城市交通拥堵情况尤为严重。而在阴雨天，在不明深度的积水中驾驶车辆是一种非常危险的行为，轻则导致车辆熄火甚至追尾，重则导致车辆溺水，危及驾驶人员的生命安全。2022 年6 月20 日，广西柳州市普降大暴雨，造成城市主干道严重积水，引发6 车连撞重大交通事故。2021 年7 月29 日，江苏省淮安市暴雨来袭导致很多道路积水严重，造成车主通过积水时困在新长铁路桥涵洞下。这些事故发生的原因是驾驶人驾驶车辆遇到积水路面时，因不能获取积水深度而贸然行驶而带来严重的后果。目前，针对这一难题尚没有较好的解决办法。只能凭借驾驶员的经验定性判断，该方法见效缓慢，易导致交通阻塞，精准度不高易造成车主涉险，严重威胁车辆和人员的安全。

因此，该文作者设计了一套基于超声波传感器的车辆涉水深度检测系统，利用超声波测距原理即时检测路面积水深度，并将深度信息及报警信息快速回传驾驶员，便于驾驶员准确地对当前情况进行预判，以达到安全驾驶的目的。

1 检测原理

1.1 超声波测距原理

超声波是指频率高于20 kHz 的机械波。它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速等。基于该原理，超声波传感器应运而生，超声波传感器利用压电效应将电能和机械能（超声波）进行相互转换，进而发出超声波和接收超声波，其在汽车行业的典型应用是倒车雷达。如图1 所示，超声波传感器固定在车辆车尾某位置，当车辆在倒车时，倒车雷达随即启动，超声波传感器发出超声波，超声波在空气传播一段距离碰到障碍物表面时会发生反射，此时反射回波继续在空气传播，直到被超声波传感器接收。假设超声波在空气中的传播速度为，从超声传感器发出超声波到接收反射回波共用时间为，设该障碍物距离传感器的距离为，则如公式（1）所示。

图1 倒车雷达测距示意图

式中：为超声波在空气中的传播速度；为超声传感器发出超声波到接收反射回波共用时间；为障碍物距离传感器的距离。

倒车雷达系统通过公式（1）可瞬时计算出车尾与障碍物之间的距离。报警图像一般按照由远及近分别由绿、黄和红色标示，与之对应的声音报警为间歇、急促和长鸣。当距离障碍物的距离进入预定的距离分段后，系统迅速通过声音或图像方式进行分段报警，驾驶员即可根据报警选择继续倒车或立即停车，实现安全驾驶。

1.2 超声波涉水深度检测原理

超声波涉水深度检测基本原理图如图2 所示。超声波传感器安装在车外后视镜中，其离地高度为固定值。当驾驶员驾驶车辆通过积水路面时，即可通过语音或多媒体等手段开启涉水检测系统，超声波传感器发出超声波，遇到积水表面发生声波反射，反射回波再被传感器接收回来，根据公式（2）可计算出超声波传感器距离积水表面的距离为。此时积水深度为，从图2 中简单的几何关系可以知道，积水深度如公式（2）所示。

图2 超声波涉水深度检测基本原理图

式中：为超声波传感器距离积水表面的距离；为积水深度；为超声波传感器到地面的距离。

由此可知，与倒车雷达测距直接得出距离不同，涉水深度是通过已知传感器安装高度减去检测到的距离积水路面的高度得出来的结果，但两者应用的原理是一致的。

2 检测系统设计

2.1 系统设计

整车布置图如图3 所示，涉及与关联模块的交互，2 个超声波传感器位于车辆的两侧，其供电（POWER 和GND）、通信信号（CAN）和整车系统的引擎控制模块（ECM）、车身电子稳定系统（ESP）、电动助力转向系统（EPS）、车身电子域控制器（KBCM）以及多媒体大屏（HUT）连接，保证整车系统安全。如图4 所示，系统构成图主要包括2 个超声波传感器，并且两者是通过CAN 总线连接和通信。基于超声波传感器的涉水检测系统采用低成本的无主机方案，由1个主超声波传感器和1 个从超声波传感器组成，其中主、从超声波传感器之间通过LIN 通信完成数据交互。主传感器负责主、从传感器探测到的障碍物信息处理，并通过CAN与车身通信。

图3 整车布置示意图

图4 系统构成图

当需要测量积水深度时，超声波换能器发射超声波信号，通过超声波传感器传感器接收超声波信号，并将通过主、从超声波传感器采集的信息判断积水深度。该文提出的检测系统区别于单片机的信息处理方式，需要先进行滤波去噪处理，通过处理和计算发射声波和反射回波的波峰和波谷，通过对比判读是否存在积水和积水深度，并和安全水深进行比较。当处于安全水位时不报警；达到危险水位时，发出警报声，并同步到显示屏界面上。需要指出的是，无论是否处于危险水深，其水深均会同步到显示屏上，保证安全驾驶。

从传感器由主传感器控制实现障碍物探测并回传障碍物信息给主传感器。此系统采用无主机方案，主超声波传感器额外集成了MCU 和CAN 收发器，替代了传统的有主机方案的主机，因此减少了主机安装位置及安装时间，同时也减少了线束长度，有效节约了成本。

2.2 传感器安装要求

为避免车身对传感器检测的干扰，传感器安装需要满足一定的安装要求。传感器安装示意图如图5 所示，其中线为过传感器中心垂直于地面的线，线为传感器轴线，为过传感器中心垂直与地面的线与车侧边最外沿的间距，为线与线的夹角。

图5 传感器安装示意图

2.3 系统功能逻辑

系统功能逻辑图如图6 所示。当车辆即将进入积水路面时，驾驶员可通过语音开启或多媒体手段开启涉水深度检测系统，系统接收道路坡度信息、车辆行驶速度等车身信号并判定系统是否需要激活。如果满足激活条件，系统随即通过安装在车辆两边外后视镜中的超声波传感器进行下方路面积水探测，并即时分析超声波数据，进行涉水深度计算，结合预先设置的警戒深度进行涉水危险判断，采取屏幕显示或声音报警等形式向驾驶员通报涉水状态及报警信息，以便驾驶员做出决策。

图6 系统功能逻辑图

2.4 超声波水面检测数据处理与预警

为了更好地分析波形数据获得准确结果，此系统采用读原始模拟信号回波方式。试验过程中超声传感器接收的原始回波及反射回波示意图如图7 所示。图中横轴表示通过LIN通信获取的波形点的个数，因为点与点之间的间隔是固定的，所以横轴最终转换为波形传播的时间，图7 所示波形为所有点与点构成的曲线图；纵轴表示声波的幅值，幅值表示声波的能量大小，存在2 处幅值较大的波峰（发射声波和反射声波）。除此之外，还分布着许多幅值较小的波峰，这就是白噪声干扰。不同于数字信号，该系统采用读模拟信号方式读取信号，并基于以下方法进行处理。

图7 传感器接收的原始回波示意图

回波处理流程图如图8 所示。首先，系统通过LIN 通信获得的原始波形要通过滤波处理，剔除部分白噪声的同时获得较平滑的回波。其次，通过寻找波峰波谷的方式找出发射声波和反射回波，进而通过波峰确定时域宽度及回波个数。再次，通过对反射回波进行分析，确定是否满足回波门限及水面障碍物门限。如果回波状态满足，则采用多次比对以确定是否为积水路面。为保证计算准确性，系统还结合道路坡度情况进行校正。最后，系统将即时把计算获得的路面积水深度与预先设置的安全积水深度做比较，如果当前积水深度处于安全积水深度范围内，则系统不发送声音报警，仅发送涉水深度；如果当前积水深度超出安全积水深度范围，则系统判定当前驾驶状态为危险驾驶，并将涉水深度及声音报警同步传送至多媒体显示屏，由多媒体显示屏进行显示报警和声音报警，驾驶员即可通过报警信息选择立即停车或者向后倒车，实现安全驾驶。

图8 回波处理流程图

3 结语

该文针对车辆在驾驶过程中遇到积水路面如何保证安全通过的问题，提出了一种利用超声波传感器的车辆涉水深度检测系统设计方法。它的主要亮点如下。1） 采用无主机方式，无须预留主机布置位置，通过借助车辆本身结构特点，将超声传感器布置在车身左右后视镜上，既达到了安装目的，又减少了对车辆本身结构的损害。2） 通过借助超声传感器在无损检测方面的利用，将原本费时费力的路面积水深度人工检测转换成无接触、响应快、结果准确的自动检测，极大地降低了驾驶风险，提高了车辆通行效率。3） 通过采用声音预警或多媒体显示屏预警等方式，为驾驶员提供多角度驾驶信息，解放了驾驶员双手，有力地确保了驾驶安全。

总之，该方法原理简单，设计巧妙，成本较低，可行性好，为现阶段车辆驾驶遇积水路段存在的安全隐患提供了一种切实可行的解决办法，极大地提升了车辆安全驾驶能力，有效避免了危险驾驶事故的发生。