基于DSP的智能驾驶测距系统设计

时间：2022-07-17 18:49:36

关键字： DSP信号处理超声波测距温度补偿

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[导读]摘要:为解决智能驾驶避障系统中信息处理运算功能单一、测距精度低、抗干扰能力弱等问题,提出了一种基于DSP的无人驾驶避障测距系统,包括以TMs320C28335为核心的DSP系统、超声波测距模块、LCD显示模块、温度补偿电路和警示电路等。作为主控制器,DSP芯片具有强大的数字信号处理能力和嵌入式控制功能,温度补偿电路能把超声波受温度影响的程度降到最低,相对误差小且稳定。

引言

近年来智能驾驶领域迅速发展,系统对环境地图的构建要求精度高,包括避障系统和定位系统等。目前避障技术主要有4种解决方法:红外线传感器、超声波传感器、激光传感器以及视觉传感器。在智能测距感知系统中,比较普遍采用的是以51系列单片机为核心的超声波测距,其成本低,硬件电路少且简单易实现,但在实际运用中,51单片机经常出现抗干扰能力弱,因运算速度响应慢引起实时控制效率低等问题,导致测距精度不高。结合上述问题,本设计采用高性能的32位中央处理器TMs320C28335为主控芯片,拥有强大的操作能力和迅速的中断响应与处理能力,保证了测距的精度和速度,为实时构建和调整环境地图提供了极有效的参考。

1超声波测距原理

超声波通过介质传播,遇到障碍物反射回波,根据环境和障碍物的不同,超声波在反射的同时也存在折射、散射和衍射等物理现象,这就给采集回波信号造成一定的影响与误差。超声波测距频率高,方向性强,传播能量损耗小。根据研究表明,超声波的振动频率与衰减系数呈正比,与能量呈反比。一般而言,高频信号能量大、测距范围广,但是衰减系数相对较大,因此,超声波测距的频率一般选用40kHz。超声波传感器一般都包括发射器和接收器两部分,超声波有3种测距方法:(1)相位检测法,测量返回波与发射波之间的相位差;(2)幅值检测法,测量返回波的幅度大小;(3)渡越时间检测法,测量回波的返回时延。相位检测法最精确,但测量距离短;幅度检测法受环境影响较大,精确度稍低;渡越时间检测法的精确度较高,测量距离也较长。本设计采用渡越时间检测法测距,其原理如图1所示。

考虑到超声波发射的入射角9和障碍物与超声波传感器的垂直距离b,由图1可得超声波遇到障碍物反射距离与声速之间的关系为:

式中,l为声速;l为超声波发射到障碍物的距离;t为超声波从发射到接收所需的时间;a为超声波发射器与接收器的中点距离。

由(1)(2)(3)式可求得测试距离b:

2系统硬件设计

2.1总体设计

本系统采用TMs320l28335为主控芯片的DSP信号处理系统,用其丰富的资源扩展接口,设计了超声波测距模块、LCD显示模块、预警模块等。系统结构如图2所示。

2.2超声波发射与接收电路设计

PFM调制脉冲波由l28335DSP系统的震荡电路发出,通过三极管和变压器驱动超声波换能器转换成频率为40kHz的方波信号,超声波换能器的发射电路如图3所示。

超声波发射后遇到障碍物反射形成回波,为提高回波采集信号的稳定性和准确性,本设计采用具有放大、滤波、增益和整形功能的TL852作为超声波接收芯片,外加电压比较器组成回波接收电路,把采集整理后的回波模拟信号经过A/D转换模块变成数字信号后,送入DSP系统进行反馈和处理,回波接收电路如图4所示。

2.3温度补偿电路

超声波传感器受温度影响比较明显,尤其是在室外的环境和早晚温差较大的区域。根据研究表明,超声波在空气中的传播速度与温度呈反比,温度每升高1℃,声速将下降0.607m/s,两者之间的关系可用下式表示:

系统设计采用了5L32芯片实时采集环境温度,因它可输出温度为0M时的电压值,并且检测精度高,可达±0.6℃,抗干扰能力较强,线性度较好。跟Ds18B＋0温度传感器不同的是,Ds18B＋0输出的是数字信号,可直接传输到主控芯片进行信号处理,而5L32输出的是电压值,属模拟信号,因此需要A/D转换模块的ADC0804芯片把电压信号转换成数字信号,才能送入DSP系统进行处理。温度采集和转换电路如图5所示。

2.4LCD显示模块

LCD液晶显示模块为1＋8×64点阵,内置国标GB＋31＋码简体中文字库、1＋8个字符(8×16点阵)及64×＋26点阵显示RAL(GDRAL)。由于DSP的I/o端口的驱动电压是3.3V,sN745VTH16＋＋42具有三态输出的3.3VABT16位总线收发器,利用sN745VTH16＋＋42对5CD模块进行了电平的转换,5CD的信号线通过CP5D连接到DSP上,通过操作映射地址就可以直接操作5CD模块。

3系统软件设计

该DSP系统基于C语言的CCs3.3开发环境,中控系统安装在汽车内部,超声波传感器可安装的部位如图6所示。超声波的道路边沿检测,按照相关规定,三级以上多车道公路每条车道宽度多为330~372cm,小型轿车宽度多为120~＋00cm,车辆定位导航系统对车辆横向定位精度的要求要远高于纵向定位精度,通过道路边沿数据与车道线检测数据融合,来滤除车道外环境的干扰,4组超声波传感器平行布置于智能车的左、右两侧。超声波传感器采集的数据为传感器安装位置到道路边沿的距离。因此,它既可以在停车过程中测距避障,又可以检测到汽车两侧与相邻车辆的距离,从而调整驾驶路线。