摘要：為解決超聲倒車(chē)?yán)走_(dá)指向性不足和存在探測(cè)盲區(qū)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小波束角超聲傳感器做扇形掃描探測(cè)的辦法。設(shè)計(jì)中使用步距角為7．2°的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)波束角為5°的超聲傳感器在每一個(gè)步進(jìn)角度上進(jìn)行測(cè)距。結(jié)合測(cè)距的角度和測(cè)得的距離就可得到準(zhǔn)確的障礙物位置信息。并且，由于傳感器的有效探測(cè)角度大于電機(jī)的步進(jìn)角度，所以每一次測(cè)距的探測(cè)范圍會(huì)相互交疊，消除了探測(cè)盲區(qū)的存在。實(shí)驗(yàn)證明，使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲傳感器進(jìn)行探測(cè)，其準(zhǔn)確度為傳統(tǒng)倒車(chē)?yán)走_(dá)的6倍以上。
關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；倒車(chē)?yán)走_(dá)；探測(cè)盲區(qū)；步進(jìn)電機(jī)；扇形掃描

    倒車(chē)?yán)走_(dá)，又稱為泊車(chē)輔助系統(tǒng)，是車(chē)輛泊車(chē)時(shí)的安全輔助裝置。倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)能夠在泊車(chē)時(shí)以聲音、指示圖形或視頻影像等方式向駕駛員反映車(chē)輛后方的環(huán)境狀況，解除視覺(jué)死角中的潛在威脅，提高車(chē)輛停泊的安全性。目前倒車(chē)?yán)走_(dá)的應(yīng)用十分廣泛，絕大多數(shù)車(chē)輛都已經(jīng)將倒車(chē)?yán)走_(dá)作為必不可少的標(biāo)準(zhǔn)配件。
    目前的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)大多采用超聲波測(cè)距原理：通過(guò)超聲波測(cè)距裝置測(cè)取車(chē)輛后方的障礙物距離，以此為依據(jù)來(lái)判斷泊車(chē)環(huán)境。超聲波測(cè)距具有能量消耗緩慢、傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，且不易受光線、煙霧、電磁等干擾的影響，可以在各類(lèi)天氣下使用；并且利用超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉、可靠性也好，因而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)倒車(chē)?yán)走_(dá)中。但是由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)自身的原因，以往的倒車(chē)?yán)走_(dá)只能夠模糊地判斷障礙物的大致位置，并不能準(zhǔn)確地指示泊車(chē)的環(huán)境狀況，而且總會(huì)存在一定的探測(cè)盲區(qū)。因此，設(shè)計(jì)無(wú)盲區(qū)的高精度倒車(chē)?yán)走_(dá)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 超聲波測(cè)距的特性
1．1 超聲波測(cè)距的原理
    超聲波測(cè)距，是依靠超聲傳感器向外發(fā)射超聲波，然后接收超聲波遇到障礙物后反射回來(lái)的回波，依據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間間隔t以及聲波的傳播速度v，來(lái)計(jì)算傳感器和障礙物之間的距離S。即
   
    式(1)中v為聲波傳播速度。在空氣介質(zhì)中，聲波的傳播速度會(huì)受到溫度、濕度、氣壓等因素的影響，其中溫度對(duì)聲波速度的影響最大，其補(bǔ)償關(guān)系為：
   
    由此可知，超聲波測(cè)距中，聲波的傳播速度和聲波發(fā)射與接收的時(shí)間間隔是判斷距離的兩個(gè)依據(jù)。如果測(cè)距環(huán)境的溫度變化不大，或者系統(tǒng)對(duì)測(cè)距結(jié)果不要求有很高的精度，就可以忽略溫度對(duì)聲波傳播速度的影響，以v=340m／s的恒定值作為聲波傳播的速度，在這樣的情況下，回波時(shí)間的長(zhǎng)短就成為測(cè)距的唯一依據(jù)。
    在超聲倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)的探測(cè)精度只要達(dá)到厘米級(jí)，所以一般不需考慮溫度補(bǔ)償，而只根據(jù)回波時(shí)間來(lái)判斷所測(cè)距離。
1．2 超聲波測(cè)距指向性的不足
    超聲波測(cè)距裝置的核心部件是超聲傳感器，超聲傳感器是發(fā)射和接收超聲波的裝置。傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)，能量并不是均勻分布的，而是存在波束角的概念。
    超聲傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)，沿傳感器中軸線的延長(zhǎng)線(垂直于傳感器表面)方向上的超聲射線能量最強(qiáng)，而其他方向上的聲波能量逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長(zhǎng)線為軸線，由此向外，至發(fā)射能量減少至半數(shù)(-3 dB)處，這個(gè)夾角被稱為超聲傳感器的波束角，如圖1所示。

    波束角的大小，代表著超聲傳感器有效探測(cè)范圍的大小。因?yàn)樵趥鞲衅饔行綔y(cè)范圍以外，聲波能量過(guò)于分散，無(wú)法產(chǎn)生有效的回聲，也就無(wú)法測(cè)出相應(yīng)的距離。所以，超聲波測(cè)距裝置通常只能夠探測(cè)到處在其傳感器波束角范圍內(nèi)的物體的距離。
    在相同環(huán)境下，由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)距的依據(jù)只有回波時(shí)間這一項(xiàng)，所以在系統(tǒng)的有效探測(cè)范圍內(nèi)，以超聲傳感器為圓心，處于同一圓弧上的物體，都會(huì)產(chǎn)生相同的回波時(shí)間，都會(huì)得到相同的測(cè)距結(jié)果。這就是說(shuō)，使用超聲系統(tǒng)測(cè)距測(cè)得的距離并不一定是傳感器正前方的物體的距離。超聲波測(cè)距，只能測(cè)得被測(cè)物體的距離，卻無(wú)法確定產(chǎn)生該距離的物體的確切方向，也不能確定產(chǎn)生該距離的被測(cè)物是否只有一個(gè)。測(cè)距系統(tǒng)選用的傳感器波束角越大，被測(cè)物體的具體方位就越不確定，測(cè)距的指向性也就越差。指向性不足是超聲波測(cè)距最大的缺點(diǎn)。

2 以往設(shè)計(jì)方法的缺陷
    以往的超聲倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)，均采用了多個(gè)超聲傳感器均勻陣列的探測(cè)方式。并且要求所有傳感器的探測(cè)范圍之和，能夠覆蓋車(chē)體后部的全部區(qū)域，以保證能夠全面探測(cè)泊車(chē)環(huán)境。
    由于超聲測(cè)距系統(tǒng)的指向性與探測(cè)范圍成反比，所以如果要求系統(tǒng)能夠更精確地測(cè)得障礙物的位置，就必須使用數(shù)量較多的小波束角傳感器密集陣列。但是這樣的方法成本較高，并且影響車(chē)輛美觀，更重要的是如果傳感器密集陣列相互之間還可能會(huì)造成干擾，影響探測(cè)的可靠性。所以目前的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)大多犧牲了測(cè)量的準(zhǔn)確性，而選用3～4個(gè)探測(cè)范圍較大的大波束角超聲傳感器陣列探測(cè)。
    這樣的設(shè)計(jì)方法只能夠探知障礙物的存在，卻無(wú)法明確障礙物的具體方位。并且，這樣的探測(cè)方法也仍舊存在著一定的盲區(qū)。如圖2所示，在距離車(chē)尾較近的位置，如果出現(xiàn)體積較小的障礙物位于兩個(gè)傳感器之間，就很可能會(huì)被系統(tǒng)漏測(cè)。這是由超聲測(cè)距系統(tǒng)自身的特性決定的，無(wú)法克服。

    圖中標(biāo)號(hào)區(qū)與為各傳感器有效探測(cè)范圍，陰影部分即為相鄰傳感器探測(cè)區(qū)域之間的探測(cè)盲區(qū)。

3 扇形掃描探測(cè)方法
    為了克服超聲測(cè)距系統(tǒng)指向性差且存在探測(cè)盲區(qū)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中使用了通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單套小波束角傳感器，做扇形掃描探測(cè)的方法。
3．1 扇形掃描探測(cè)方法
    在設(shè)計(jì)中，使用步距角為7．2°的步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)波束角為5°的超聲傳感器。在每一輪掃描中，電機(jī)步進(jìn)20步，掃描車(chē)輛正前方左右共144°的范圍。這樣，從起始位置開(kāi)始，超聲傳感器總共會(huì)在21個(gè)不同的角度上進(jìn)行測(cè)距。步進(jìn)電機(jī)每步進(jìn)一個(gè)角度，測(cè)距系統(tǒng)就在當(dāng)前的角度上測(cè)得一個(gè)距離信息，結(jié)合當(dāng)前的掃描角度，就會(huì)得到一個(gè)較為精確的，包含距離、方向兩方面內(nèi)容的位置信息。每完成一輪掃描，就會(huì)得到21個(gè)連續(xù)的位置信息。依據(jù)這些信息，就能夠較為精確地判斷障礙物的具體方位，得知相對(duì)準(zhǔn)確的泊車(chē)環(huán)境。掃描角度如圖3所示。

3．2 扇形掃描探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)
    首先，系統(tǒng)使用小波束角超聲傳感器進(jìn)行測(cè)距，測(cè)距的指向性更加優(yōu)越；并且，由于系統(tǒng)選用的傳感器的有效掃描角度為10°(5°×2，波束角內(nèi)的范圍)，而步進(jìn)電機(jī)每一次只轉(zhuǎn)動(dòng)7．2°的角度，所以探測(cè)范圍內(nèi)的每一個(gè)區(qū)域都會(huì)被重復(fù)探測(cè)，不會(huì)出現(xiàn)障礙物被遺漏的情況，消除了探測(cè)盲區(qū)的存在。
    此外，由于系統(tǒng)只使用了一套單獨(dú)的超聲測(cè)距系統(tǒng)，所以在進(jìn)行測(cè)距工作時(shí)不存在傳感器之間相互干擾的問(wèn)題，系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，結(jié)果也更加可靠。
3．3 扇形掃描探測(cè)方法的效果
    扇形掃描的探測(cè)方法將所需探測(cè)的區(qū)域劃分成一定數(shù)量的較小區(qū)域逐個(gè)探測(cè)。這樣的方法極大地提高了掃描的準(zhǔn)確度，不僅獲得了障礙物的距離信息，也獲得了較為準(zhǔn)確的方向信息。以泊車(chē)過(guò)程中通常會(huì)遇到的方形、圓形、尖角這類(lèi)障礙物為例，在不同距離上，掃描效果如圖4所示。

    雖然探測(cè)結(jié)果相較于障礙物的實(shí)際情況仍有較大差別，但已經(jīng)比較確切地反映了障礙物的實(shí)際分布情況。依據(jù)這樣的探測(cè)結(jié)果，可以為駕駛員提供更加直觀明確的參考信息，極大地提高了泊車(chē)的安全性。
3．4 時(shí)效性分析
    使用扇形掃描的探測(cè)方法，需要在21個(gè)不同的方向上逐個(gè)進(jìn)行距離探測(cè)，相比于以往的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這樣的探測(cè)方法耗費(fèi)的時(shí)間要長(zhǎng)很多。但是對(duì)于倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于泊車(chē)時(shí)的探測(cè)距離不會(huì)超過(guò)3 m，進(jìn)行21次測(cè)距所需的時(shí)間也在幾秒鐘之內(nèi)，并且倒車(chē)時(shí)的車(chē)速很慢，所以不會(huì)影響正常的倒車(chē)行駛。

4 結(jié)論
    在倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)中使用扇形掃描的探測(cè)方法，不僅能夠更加準(zhǔn)確地探知環(huán)境中存在的障礙物的具體方位，更真實(shí)確切地反映泊車(chē)環(huán)境的實(shí)際情況，而且消除了以往設(shè)計(jì)中普遍存在的探測(cè)盲區(qū)。實(shí)驗(yàn)證明，其探測(cè)的準(zhǔn)確度至少是傳統(tǒng)倒車(chē)?yán)走_(dá)的6倍以上。這樣的設(shè)計(jì)能夠給駕駛員提供更加直觀可靠的參考信息，極大地提高了泊車(chē)的安全性。