多目标定位在低速防撞系统中的应用
作者：卞利云
来源：《科技资讯》 2011年第5期
卞利云
(南京航空航天大学金城学院 南京 210016)
摘 要:设计和制作了一种基于CAN总线和多目标定位的低速防撞系统,该系统用于低速防撞和预警,以单片机为控制核心,由超声波传感器构成阵列装置,它只需要一个探测周期,就可以实现对单目标和多目标的准确定位,比传统的单目标低速防撞系统具有更高的探测效率。在汽车周围安装了四个阵列装置,每个整列装置由4个超声波传感器和一个单片机构成。通过对16个超声波传感器的合理布局,实现了车辆全方位避障。详细描述了系统的功能结构、工作原理和软件设计。实际运行结果表明,该系统在实时性、稳定性、和测量精度方面都达到了较高的水平,能满足汽车的低速防碰撞要求。
关键词:CAN总线 超声波测距 多目标 单片机
中图分类号:TP216 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)02(b)-0041-02
随着人们物质文化水平的提高,越来越多的人拥有了自己的私家车,越来越多的汽车涌上了城市道路,城市交通愈加拥挤,汽车擦碰等小事故发生概率大大增加。其主要原因就是驾驶员的视野不广阔,未能预先知道障碍物的存在。
在汽车低速防撞方面,目前应用最多的就是倒车雷达,现有的倒车雷达采用单目标定位,只能测出后方大体积障碍物到车体的距离,每次只探测一个障碍物,而无法显示前方及左右路面的物体情况。如果两个障碍物靠得很近得话,车辆在避开一个障碍物的同时很容易撞上另一个障碍物。而且倒车雷达只在倒车时启用,因而测量范围较小,盲区大。运用单片机技术和超声波测距技术,结合CAN总线通信协议标准,设计一种具有全方位探测功能的新型多目标低速防撞系统,能够很好地解决上述问题。
1 低速防撞系统原理
该系统利用超声波进行障碍物的距离测量和定位,以单片机为控制核心,将16个超声波传感器平均分布在汽车周围,单片机利用超声波传感器提供的数据,计算障碍物到车体的距离,微控制器根据计算得到的距离信息采用多目标定位方法,可同时定位多个障碍物,并将多个障碍物到车体的距离和相对位置同时显示在车载显示屏上。驾驶员据此对周围实际环境的变化做出反应,从而减少和避免交通事故的发生,实现了车辆的全方位避障。
1.1 测距原理
汽车上常用的是压电式超声波传感器,其工作频率为40KHz且收发一体,结构紧凑,并具有防水功能。常用的测距方法主要有相位检测法、幅值检测法和渡越时间检测法等,本设计中,采用渡越时间检测法[1]。渡越时间法的测距原理是,控制电路使传感器发射声波信号,声波经物体反射回来并被传感器接收到,然后根据声波在空气中的渡越时间计算物体的距离。超声波在介质中的传播时间为,传播速度为,障碍物到传感器的距离为,则有:
式中超声波的传播速度与温度有关,如果环境温度变化显著,必须考虑温度补偿问题。
1.2 多目标定位原理
系统采用多目标定位算法后,只需要一个探测周期,就可以实现对单目标和多目标的准确定位,利用几
何学的定位方法融合被修正的距离数据,实现了对目标点的准确定位。通过数据关联来区分多个目标。
每个超声波传感器都存在波速角,由于波速角的存在,当同时使用多个超声传感器时,各个传感器之间得信号会发生串扰,串扰会使传感器的数据发生错误。为了避免串扰,传统的低速防撞系统每次只有一个超声传感器发射和接收声波,系统始终处于单发/单收的工作模式。并且传感器发送完信号后,单片机大概过2ms后才开始接收信号。这使得在面对不同的障碍物情形时,系统可能得到相同的探测结果。造成这种情况的根本原因是由于不同超声传感器数据之间缺乏明确的关联关系,因而系统无法确定目标物体的真实位置[2]。
然而,串扰实质上也是发射传感器、物体和接收传感器之间位置关系的距离信息。当某个超声传感器发射声波时,如果能够让与之邻近的传感器都处于接收声波信号的状态,串扰信息就能够被保存下来,并且其来源就是发射声波的传感器。明确了信息的来源,串扰信息就有可能被用来确定物体的准确位置。
超声波传感器分别命名为S1、S2、S3和S4,波束角为30°。如果使用超声波传感器S1发射超声波,又单独使用超声传感器S1检测物体,物体的位置可能位于传感器S1波束角范围内的一个确定半径的圆锥体球表面上的某点,具有很大的方位不确定性。考虑到与之相邻的超声传感器S2、S3也能收到该声波信号,那么物体也应该位于它们波束角范围内的半径可知的圆锥体球表面上。因此,三个圆锥体的交点就是目标点精确位置的估计。如果物体也位于S4的超声波传感器的波束角范围内,并且S1、S2和S3也能够收到S4的声波信号,那么就可以有更多的交点来确定目标点的位置。
环境探测时,各个超声传感器采用循环激发的方式。当第i(i=1,2,3,4)个传感器处于发射/接收模式时,其它的传感器都处于接收模式。某一超声波传感器i发射声波后,系统可以得到一组(4个)距离数据Di,j。如果传感器没有收到声波信号,则设置距离数据值等于0。
当大于设定的阈值时,就认为是不同的物体,否则,就认为是同一物体。阈值的选择应该考虑到目标的尺寸和传感器检测误差引起的定位误差,并取二者中的较大者,考虑到实际应用的需要,本系统取阀值为26cm。
2 低速防撞系统的结构设计
为了减小低速防撞系统的盲区,增加探测范围,需要在汽车的周围安放多个超声波传感器,系统在实现
障碍物距离测量的同时,还要定位障碍物。要定位一个障碍物至少需要三个传感器。因此,要想测出汽车每个方向上的全部障碍物,在每一个方向上至少需安装4个超声波传感器。系统在汽车前、后、左、右四个方向上均安放4个超声波传感器,共有16个超声波传感器,构成360度的测距范围,从而实现全方位测距。
本系统采用四个测距子系统来探测汽车前、后、左、右四个方向上的障碍物,并且,前、后、左、右四个子系统自成体系,可独立工作。每个子系统均由四路超声波传感器和一个微处理器等组成。测距子系统以飞思卡尔单片机MC68HC908GZ60为控制核心,微处理器通过多路选择开关MC14052B控制四路超声波信号的发送和接收,实现了障碍物的多探头测量,在保证测量实时性的基础上,大大增加了障碍物的检测范围,系统总体结构如图1所示。
3 系统软件设计
完成硬件电路的设计后,系统的具体功能的实现和监控通过相应的软件来实现,软件设计主要包括主控节点的程序设计和测距子系统的程序设计。主控节点主要将各个接收数据包中的数据转换成显示码,供显示子程序使用,并根据计算结果,给出报警级别。
测距子系统程序主要包括:单片机初始化、超声波驱动信号、测距子程序、多目标定位子程序和CAN发送程序等。单片机的初始化包括系统时钟和晶振稳定时间的设置,使能MSCAN控制器。本系统根据
实际需要,用PLL编程产生2MHz的总线时钟频率。
在驱动信号子程序中通过对定时器模块中一些寄存器设置即可产生所需要脉冲信号,为了准确产生占空比为50%,频率为40kHz的脉冲串,必须准确的计算出TICNT和T1MOD寄存器的值,该信号加在驱动电路上产生幅值为66V左右的高压电,使传感器产生同频率的信号。
初始化时基模块和定时器模块,以此来产生20ms和0.4ms的中断。20ms中断用来控制选择工作通道,对PTE1,PTE0置位来完成通道控制信号。然后由选择的通道发送出可以控制脉冲个数的40kHz方波脉冲。整个系统以计数器为主轴。发射完成后,等待2ms,对回波信号进行接收,开输入捕捉中断。记录下定时器值,然后选中下一个通道进行测量,这样依次激发四个超声波传感器。根据4路传感器的测量结果,计算出距离,并根据4个传感器的测量值,采用多目标定位方法,计算出障碍物的方位指示码。测距子程序流程图如图2所示。
4 试验结果与分析
实验主要包括两个方面,障碍物到车体的距离实验和空间位置实验。 将该系统至于一个空旷的房间内,用一块25cm×25cm的矩形板作模拟障碍物,在一个探头的正上方30cm～300cm进行试验,改变超声波探头到障碍物的距离,同时读出显示器的显示结果。实验结果如表1所示。
实验证明该系统具有较高的测量精度,距离在0.3m～3m范围,误差均在在5cm以内。测量值均比实际值偏大,这主要是由于电路的延迟和整形电路的起伏,导致测量时间有所增大,进而体现在测量数据的偏大。但这样的精度足以满足汽车低速防碰撞的要求。
5 结语
基于CAN总线和单片机的汽车低速防撞系统,将16个超声波传感器合理的分布在汽车周围,利用MC68HC908GZ60单片机控制超声波的发送和接收,构成基于单片机和超声波传感器的测距子系统,共有四个测距子系统,四个测距子系统通过CAN总线和主控节点相连,构成了具有全方位探测功能的低速防撞网络。
该系统首次将多目标定位算法移植到车载低速防撞系统中,系统可以同时探测多个障碍物,低速工况下能全方位反馈汽车周围的障碍物分布及距离。通过液晶屏直观的显示车体周围的障碍物分布和障碍物到车体的距离,并根据此距离大小进行实时的语音分级报警。因此,扩大了驾驶员的视野,解决了传统倒
车雷达单目标探测和盲区大的缺点。本系统带有CAN接口,使得分布式系统中能够通过CAN总线实现数据的传输和共享,顺应了汽车电器的发展趋势。因此,本系统优于目前市场上较为成熟的倒车雷达技术,并且可以应用于无人驾驶汽车,前景广阔。
参考文献
汽车防撞系统 [1] 黄斌,贺继林,何清华,等.基于CAN总线的高性能到车雷达设计[J].工业计算机,2007,20(5):74～75.
[2] 朱运利.超声波定位系统的参数研究[J].机电产品开发与创新,2006,18(2):128～130.
[3] 郑静,张吉力,华泽钊,等.室内超声波定位系统的构建与测试[J].上海理工大学学报,2007,29(6):553～556.
[4] 张坷,俞国华,刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的研究[J].测控技术,2008,27(1):48～50.
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