CN204915505U - 基于超声波测距的二维倒车雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统，该系统包括超声波水平测距器、超声波地面监测器和单片机，通过超声波水平测距器向水平方向发射第一超声波，并接收第一超声波对应于第一障碍物的第一回波；超声波地面监测器向斜向下预设角度方向发射第二超声波，并接收第二超声波对应于第二障碍物的第二回波；单片机利用第一超声波的渡越时间和第二超声波的渡越时间，分别计算得到车尾与第一障碍物、第二障碍物之间的距离，并且当车尾与第一障碍物之间的距离小于预设第一安全距离和/或车尾与第二障碍物之间的距离小于预设第二安全距离时，控制发出相应的报警信号，以提醒驾驶员汽车正后方的地面路况，从而能够有效提高行车安全。

Description

基于超声波测距的二维倒车雷达系统

技术领域

本实用新型涉及雷达测距技术领域，特别是涉及一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统。

背景技术

近年来，随着经济的迅速发展，汽车作为便捷的交通工具已进入越来越多的家庭。同时，由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。倒车时，车内、外的反光镜可以扩展驾驶员的视野，但是汽车后方的障碍物，特别是由于其高度不足、通过反光镜看不到的障碍物随时可能处于驾驶员的视野死角中。据相关调查统计，15％的汽车碰撞事故都是由倒车时汽车的后视能力缺乏造成的。

现有技术中，功能强大的倒车影像系统在市场上应用较为广泛，但由于其价格偏高，还无法广泛运用于所有汽车中。与倒车影像系统相比，超声波倒车雷达系统具有成本低，安装方便等优点，目前应用更为广泛的一维倒车雷达系统以声音或者更为直观的距离显示方式告知驾驶员汽车后方障碍物的情况，以提高倒车的安全性。然而，一维倒车雷达系统无法探测地面路况，使得驾驶员不能确定汽车正后方的地面路况，从而导致悲剧频频上演，这意味着一维倒车雷达系统还需要改进以适应汽车后方复杂的路面情况。

实用新型内容

有鉴于此，针对一维倒车雷达系统的上述主要缺陷，本实用新型提供了一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统，以解决现有技术中一维倒车雷达系统无法探测地面路况，使得驾驶员不能确定汽车正后方的地面路况，从而导致悲剧频频上演的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统，包括：

超声波水平测距器，所述超声波水平测距器向水平方向发射第一超声波，并接收所述第一超声波对应于第一障碍物的第一回波；

超声波地面监测器，所述超声波地面监测器向斜向下预设角度方向发射第二超声波，并接收所述第二超声波对应于第二障碍物的第二回波；

与所述超声波水平测距器、超声波地面监测器均相连的单片机，所述单片机利用所述第一超声波的渡越时间和所述第二超声波的渡越时间，分别计算得到车尾与所述第一障碍物、第二障碍物之间的距离，并且当所述车尾与第一障碍物之间的距离小于预设第一安全距离和/或所述车尾与第二障碍物之间的距离小于预设第二安全距离时，控制发出相应的报警信号；

其中，所述第一超声波的渡越时间为所述第一超声波的发射时刻与所述第一回波的接收时刻之间的间隔时间，所述第二超声波的渡越时间为所述第二超声波的发射时刻与所述第二回波的接收时刻之间的间隔时间。

上述系统中，优选的，还包括：

与所述单片机相连的显示器，所述显示器显示所述车尾与所述第一障碍物、第二障碍物之间的距离。

上述系统中，优选的，所述显示器为液晶显示器。

上述系统中，优选的，还包括：

与所述单片机相连的报警器，所述报警器接收所述单片机发送的报警信号，执行与所述报警信号对应的报警操作。

上述系统中，优选的，所述报警器为语音报警器。

上述系统中，优选的，还包括：

与所述单片机相连，根据当前实际温度对所述第一超声波和第二超声波的波速进行校正的温度补偿器。

上述系统中，优选的，所述预设角度范围为55°～65°。

上述系统中，优选的，所述单片机为STC89C52单片机。

上述系统中，优选的，所述超声波水平测距器和所述超声波地面监测器均为HC-SR04超声波测距器。

以上本实用新型提供的基于超声波测距的二维倒车雷达系统中，包括超声波水平测距器、超声波地面监测器和单片机，利用超声波水平测距器向水平方向发射第一超声波，并接收第一超声波对应于第一障碍物的第一回波；超声波地面监测器向斜向下预设角度方向发射第二超声波，并接收所述第二超声波对应于第二障碍物的第二回波；单片机利用第一超声波的渡越时间和第二超声波的渡越时间，分别计算得到车尾与第一障碍物、第二障碍物之间的距离，并且当这两个距离中有一个或者两个都小于各自的预设安全距离时，控制发出相应的报警信号，以提醒驾驶员汽车正后方的地面路况(在水平方向上的第一超声波和斜向下预设角度方向上的第二超声波的配合下，能够让那些汽车后方高度不足的处于驾驶员视野死角的障碍物被检测出来)，从而能够有效提高行车安全。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的一种结构框图示意图；

图2为本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的超声波水平测距器的工作示意图；

图3为本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的反射波返回探头的极限情况示意图；

图4-1为本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的安装侧视图；

图4-2为本实用新型一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的安装正视图；

图5为本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的另一种结构框图示意图；

图6为本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的系统设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统，以解决现有技术中一维倒车雷达系统无法探测地面路况，使得驾驶员不能确定汽车正后方的地面路况，从而导致悲剧频频上演的技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1，示出了本实用新型提供的一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统实施例1的结构框图示意图，该二维倒车雷达系统100可以包括如下内容：

超声波水平测距器101，超声波水平测距器向水平方向发射第一超声波，并接收第一超声波对应于第一障碍物的第一回波；

超声波地面监测器102，超声波地面监测器向斜向下预设角度方向发射第二超声波，并接收第二超声波对应于第二障碍物的第二回波；

本实用新型中，预设角度范围为55°～65°，本文以预设角度为60°为例进行说明。当然，预设角度范围并不局限于55°～65°，本领域技术人员可以依据实际需求进行设定，此处不做严格限定。

与超声波水平测距器、超声波地面监测器均相连的单片机103，单片机利用第一超声波的渡越时间和第二超声波的渡越时间，分别计算得到车尾与第一障碍物、第二障碍物之间的距离，并且当车尾与第一障碍物之间的距离小于预设第一安全距离和/或车尾与第二障碍物之间的距离小于预设第二安全距离时，控制发出相应的报警信号，以提醒驾驶员车后方存在障碍物，请立即停止向后倒车；

本实用新型中，单片机可以为STC89C52单片机，也可以采用其它型号的单片机，此处不做严格限定。超声波水平测距器和超声波地面监测器均为HC-SR04超声波测距器，当然，同样也可以采用其它型号的超声波测距器，此处不做严格限定，只要能实现本实用新型所提供的技术方案中超声波测距器的功能即可。

其中，第一超声波的渡越时间为第一超声波的发射时刻与第一回波的接收时刻之间的间隔时间，第二超声波的渡越时间为第二超声波的发射时刻与第二回波的接收时刻之间的间隔时间。

针对超声波水平测距器，本实用新型采用三个(但不仅限于三个)超声波收发一体测距模块HC-SR04(简称超声波测距模块)组成超声波水平测距器完成测距任务，此模块包括超声波发射探头、接收探头、控制电路，能够实现3～400cm距离测量。超声波发射探头发出的超声波频率为40kHz，波束角为30°，探测范围为轴向±30°的弧状区域。超声波水平测距时，三个超声波模块等间距方式排列。每个超声波模块的TRIG和ECHO引脚分别与单片机I/O口相连。单片机依次给TRIG引脚一个大于10μs的高电平，超声波测距模块就可以给发射探头8个40kHz的周期电平，此时发射探头发出超声波。接收探头检测到回波后，ECHO引脚输出一个与超声波从发射到接收相同时间T的高电平。高电平时间T通过单片机内部的定时器加以采集。当单片机采用12MHz的外部晶振时，每执行一个机器周期需要1μs，计数加1需要一个机器周期，所以通过定时器计算得到的时间T(单位为秒)为：

T＝(TH0*256+TL0)*10^-6(1)

式(1)中，T即为超声波从发射到接收所用的时间，则探头与障碍物间的距离S为：

$S=\frac{1}{2}V\·T---\left(2\right)$

二维倒车雷达系统运行时，超声波水平测距器中的三个超声波测距模块依次发出超声波，间隔至少需要大于60ms以保证超声波回波不会相互影响。超声波水平测距器的工作示意图，如图2所示。

针对超声波地面监测器，同样也是采用三个(但不仅限于三个)超声波收发一体测距模块HC-SR04完成测距任务，其超声波测距的关键是探头要接收到回波。探头发出的声波沿直线传播，遇到不同介质的界面会产生反射和散射现象。声波向斜面入射时，反射波会沿着反射角方向传播，可能并不指向探头。图3示出了反射波返回探头的极限情况。这种情况下，可测距离H与界面倾角α，接收发射探头距离之间的关系为：

H＝1/2(O₁A₁+O₂A₂)(3)

式(3)中， $O_1{A}_1=\frac{O_1{O}_2}{\tan 2\mathrm{\α}}+O_1{O}_2\tan \mathrm{\α},O_2{A}_2=\frac{O_1{O}_2}{\tan 2\mathrm{\α}},$ 则有：

$H=\frac{O_1{O}_2}{\tan 2\mathrm{\α}}+\frac{1}{2}{O}_1{O}_2\tan \mathrm{\α}---\left(4\right)$

当界面倾角α为30°、O₁O₂为38mm时，探头只能在H小于32.9mm时才能接收到反射波，实际斜面测量距离远大于此距离，所以实际测量中反向散射波成为回波的主要成分。超声波测距时，对于具有一定倾斜角度的粗糙斜面，不计声传播衰减时的散射回波强度为：

$\mathrm{Is}\≈\frac{W_{0}v}{4\mathrm{\πH}}{\left(\tan \mathrm{\Δ\θ}\right)}^2\left|\sin \mathrm{\β}\right|---\left(5\right)$

式(5)中，Is为散射回波；W₀为超声波探头发射功率；v为轴向集中系数，其与辐射面的形状有关，如圆形辐射面，则v＝π·d/λ；H为探头到斜面的垂直距离；Δθ为波束角；β为入射波倾角。

由式(5)可知：在探头发射功率、轴向集中系数以及波束角固定不变的情况下，散射回波强度与测量距离、入射波倾角有关。当β＝60°时，散射回波能量较β＝90°时的情况减少不大，依旧能够进行回波检测。

将三个超声波测距模块HC-SR04固定在系统尾部，与地面成60°夹角。在实际的二维倒车雷达系统中，此模块可以安装在车尾合适处。探头(包括超声波水平测距器的三个探头和超声波地面监测器的三个探头)安装侧视图和正视图，分别如图4-1和图4-2所示。

本实用新型中，为了便于驾驶员直观、清楚地了解车后方的障碍物与车尾的实际距离，请参考图5，上述二维倒车雷达系统还可以包括与单片机相连的显示器104，其可以显示车尾与第一障碍物、第二障碍物之间的距离。其中，显示器可以为液晶(LCD)显示器，也可以是其他类型的显示器，此处不做严格限定。

本实用新型中，当车尾与第一障碍物之间的距离小于预设第一安全距离和/或车尾与第二障碍物之间的距离小于预设第二安全距离时，单片机会控制发出相应的报警信号，在此基础上，请参考图5，上述二维倒车雷达系统还可以包括与单片机相连的报警器105，报警器接收单片机发送的报警信号，执行与报警信号对应的报警操作。其中，报警器可以为语音报警器，以语音提示的方式来提醒驾驶员车后方存在障碍物。

具体地，本实用新型采用NV020多功能语音芯片作为语音报警器的核心元件。该芯片工作电压范围为2.7V～3.6V，内建16位D/A音频输出，自带内部滤波音频功放，可以直接驱动8Ω/0.5W的扬声器，具有高音质、低噪声的特点，可构成按键控制模式、一线串口连接以及三线串口连接等三种工作方式。使用时，只需通过微处理器寻址所存储的提示语音即可实现调用播放，发送不同命令码可实现音量调节、语音播放、暂停等功能。

此外，在实际应用中，超声波在空气中以纵波方式传播，其传播速度受气体的密度、温度及气体分子成分的影响，其中温度对声速影响较大。考虑温度对声波速度影响时，声波在空气中的传输速率为：

V＝331.5+0.606T(6)

上式中，V为声速，T为摄氏温度。

基于此，参考图5，本实用新型中的二维倒车雷达系统还可以包括与单片机相连，根据当前实际温度对第一超声波和第二超声波的波速进行校正的温度补偿器106。其中，当前实际温度可以通过温度采集器进行采集，该温度采集器包含于上述温度补偿器。

具体地，可以采用美国DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20实现对环境当前实际温度进行测量，根据测得的温度对声速进行校正，以减小环境温度对声速影响。其中，DS18B20所构成的温度补偿器具有体积小、电路简单、测量精度高等优点，只需连接一个I/O端口就能实现与单片机之间的双向通信，测温范围为-55℃～125℃，在-10℃～85℃温度范围内的精度可达±0.5℃。

综合上述本实用新型所提供的技术方案，在实际应用中，可以以KeilC51为集成开发环境，采用C语言模块化方式进行系统应用程序编写，流程如图6所示。汽车挂倒档时二维倒车雷达系统上电，首先完成系统中各器件(比如单片机、超声波测距器及LCD显示屏)的初始化设置，如具体工作模式、显示方式等等。然后，利用温度传感器对当前环境实际温度进行实时采集以实现声速校正。紧接着，超声波水平测距器检测与车后障碍物的水平距离，当检测到的水平距离小于系统所设定的安全距离时则立即启动水平距离提示语音，提醒驾驶人员立即停止继续倒车。同时，超声波地面监测模块测量汽车尾部与地面成60°处的距离，并判断该距离是否发生突变。若检测到的地面距离发生突变，则判断语音报警模块是否正在播放水平距离提示报警语音，若符合判断，则立即停止水平提示报警语音的播放改为进行地面监测语音报警，否则直接进行地面监测语音报警。若没有发生突变，则不进行语音报警提示，而将所检测到的倒车时的水平与地面距离显示在LCD显示屏上，以便驾驶人员获取相关的实时数据，提高倒车安全性。

以上本实用新型提供的基于超声波测距的二维倒车雷达系统中，包括超声波水平测距器、超声波地面监测器和单片机，利用超声波水平测距器向水平方向发射第一超声波，并接收第一超声波对应于第一障碍物的第一回波；超声波地面监测器向斜向下预设角度方向发射第二超声波，并接收第二超声波对应于第二障碍物的第二回波；单片机利用第一超声波的渡越时间和第二超声波的渡越时间，分别计算得到车尾与第一障碍物、第二障碍物之间的距离，并且当这两个距离中有一个或者两个都小于各自的预设安全距离时，控制发出相应的报警信号，以提醒驾驶员汽车正后方的地面路况(在水平方向上的第一超声波和斜向下预设角度方向上的第二超声波的配合下，能够让那些汽车后方高度不足的处于驾驶员视野死角的障碍物被检测出来)，从而能够有效提高行车安全。

同时，也对本实用新型所提供的上述二维倒车雷达系统的系统性能进行了实验测试，包括水平测距与地面监测两大部分。系统水平测距的实验数据，如表1所示。其中，实际值为卷尺所测量的超声波探头与墙壁之间的距离，测量值为所设计系统中的LCD显示值。由表1可知，系统可在3～400cm内实现水平距离准确测量测距，最大误差仅为1.10％，满足倒车需求。

表1系统水平测距实验数据

同时，经过多次测试发现：系统均可及时监测出所设定的10cm以上的凸起及凹坑，并给出相应提示语音警报，系统工作稳定可靠。

综上，本实用新型所提供的基于超声波测距的二维倒车雷达系统，采用不同角度两列均匀阵列方式排列的超声波测距器，可以实现对汽车后方障碍物以及地面凸起或凹坑等监测。通过斜面测距理论分析以及相关实验可知，地面监测模块方向与地面夹角60°时满足系统的精准性和实时性要求。实际运行测试结果表明：结合所设计的温度补偿算法，系统可实现水平精确测距、地面凸起或凹坑的精准识别以及提示语音警报，且可在LCD屏上实时显示水平与地面监测距离。与传统的一维倒车雷达系统相比，提高了倒车安全性，且该系统设计思路同样适用于盲人导航、机器人定位等场合，具有较高的实践应用价值。

以上对本实用新型所提供的基于超声波测距的二维倒车雷达系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于超声波测距的二维倒车雷达系统，其特征在于，包括：

超声波水平测距器，所述超声波水平测距器向水平方向发射第一超声波，并接收所述第一超声波对应于第一障碍物的第一回波；

超声波地面监测器，所述超声波地面监测器向斜向下预设角度方向发射第二超声波，并接收所述第二超声波对应于第二障碍物的第二回波；

与所述超声波水平测距器、超声波地面监测器均相连的单片机，所述单片机利用所述第一超声波的渡越时间和所述第二超声波的渡越时间，分别计算得到车尾与所述第一障碍物、第二障碍物之间的距离，并且当所述车尾与第一障碍物之间的距离小于预设第一安全距离和/或所述车尾与第二障碍物之间的距离小于预设第二安全距离时，控制发出相应的报警信号；

其中，所述第一超声波的渡越时间为所述第一超声波的发射时刻与所述第一回波的接收时刻之间的间隔时间，所述第二超声波的渡越时间为所述第二超声波的发射时刻与所述第二回波的接收时刻之间的间隔时间。

2.如权利要求1所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，还包括：

与所述单片机相连的显示器，所述显示器显示所述车尾与所述第一障碍物、第二障碍物之间的距离。

3.如权利要求2所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，所述显示器为液晶显示器。

4.如权利要求1所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，还包括：

与所述单片机相连的报警器，所述报警器接收所述单片机发送的报警信号，执行与所述报警信号对应的报警操作。

5.如权利要求4所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，所述报警器为语音报警器。

6.如权利要求1所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，还包括：

与所述单片机相连，根据当前实际温度对所述第一超声波和第二超声波的波速进行校正的温度补偿器。

7.如权利要求1至6任意一项所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，所述预设角度范围为55°～65°。

8.如权利要求1至6任意一项所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，所述单片机为STC89C52单片机。

9.如权利要求1至6任意一项所述的二维倒车雷达系统，其特征在于，所述超声波水平测距器和所述超声波地面监测器均为HC-SR04超声波测距器。