高精度超声倒车雷达的设计

摘要：为解决超声倒车雷达指向性不足和存在探测盲区的缺点，设计使用步进电动机驱动小波束角超声传感器做扇形扫描探测的办法。设计中使用步距角为7．2°的步进电动机驱动波束角为5°的超声传感器在每一个步进角度上进行测距。结合测距的角度和测得的距离就可得到准确的障碍物位置信息。并且，由于传感器的有效探测角度大于电机的步进角度，所以每一次测距的探测范围会相互交叠，消除了探测盲区的存在。实验证明，使用步进电机驱动超声传感器进行探测，其准确度为传统倒车雷达的6倍以上。
关键词：超声波测距；倒车雷达；探测盲区；步进电机；扇形扫描

    倒车雷达，又称为泊车辅助系统，是车辆泊车时的安全辅助装置。倒车雷达系统能够在泊车时以声音、指示图形或视频影像等方式向驾驶员反映车辆后方的环境状况，解除视觉死角中的潜在威胁，提高车辆停泊的安全性。目前倒车雷达的应用十分广泛，绝大多数车辆都已经将倒车雷达作为必不可少的标准配件。
    目前的倒车雷达系统大多采用超声波测距原理：通过超声波测距装置测取车辆后方的障碍物距离，以此为依据来判断泊车环境。超声波测距具有能量消耗缓慢、传播距离远的优点，且不易受光线、烟雾、电磁等干扰的影响，可以在各类天气下使用；并且利用超声波测距原理简单、易于实现，成本低廉、可靠性也好，因而广泛应用于各类倒车雷达中。但是由于超声波测距系统自身的原因，以往的倒车雷达只能够模糊地判断障碍物的大致位置，并不能准确地指示泊车的环境状况，而且总会存在一定的探测盲区。因此，设计无盲区的高精度倒车雷达具有较高的应用价值。

1 超声波测距的特性
1．1 超声波测距的原理
    超声波测距，是依靠超声传感器向外发射超声波，然后接收超声波遇到障碍物后反射回来的回波，依据发射和接收的时间间隔t以及声波的传播速度v，来计算传感器和障碍物之间的距离S。即
   
    式(1)中v为声波传播速度。在空气介质中，声波的传播速度会受到温度、湿度、气压等因素的影响，其中温度对声波速度的影响最大，其补偿关系为：
   
    由此可知，超声波测距中，声波的传播速度和声波发射与接收的时间间隔是判断距离的两个依据。如果测距环境的温度变化不大，或者系统对测距结果不要求有很高的精度，就可以忽略温度对声波传播速度的影响，以v=340m／s的恒定值作为声波传播的速度，在这样的情况下，回波时间的长短就成为测距的唯一依据。
    在超声倒车雷达的设计中，由于系统的探测精度只要达到厘米级，所以一般不需考虑温度补偿，而只根据回波时间来判断所测距离。
1．2 超声波测距指向性的不足
    超声波测距装置的核心部件是超声传感器，超声传感器是发射和接收超声波的装置。传感器在发射超声波时，能量并不是均匀分布的，而是存在波束角的概念。
    超声传感器在发射超声波时，沿传感器中轴线的延长线(垂直于传感器表面)方向上的超声射线能量最强，而其他方向上的声波能量逐渐减弱。以传感器中轴线的延长线为轴线，由此向外，至发射能量减少至半数(-3 dB)处，这个夹角被称为超声传感器的波束角，如图1所示。

    波束角的大小，代表着超声传感器有效探测范围的大小。因为在传感器有效探测范围以外，声波能量过于分散，无法产生有效的回声，也就无法测出相应的距离。所以，超声波测距装置通常只能够探测到处在其传感器波束角范围内的物体的距离。
    在相同环境下，由于超声波测距系统测距的依据只有回波时间这一项，所以在系统的有效探测范围内，以超声传感器为圆心，处于同一圆弧上的物体，都会产生相同的回波时间，都会得到相同的测距结果。这就是说，使用超声系统测距测得的距离并不一定是传感器正前方的物体的距离。超声波测距，只能测得被测物体的距离，却无法确定产生该距离的物体的确切方向，也不能确定产生该距离的被测物是否只有一个。测距系统选用的传感器波束角越大，被测物体的具体方位就越不确定，测距的指向性也就越差。指向性不足是超声波测距最大的缺点。

2 以往设计方法的缺陷
    以往的超声倒车雷达设计，均采用了多个超声传感器均匀阵列的探测方式。并且要求所有传感器的探测范围之和，能够覆盖车体后部的全部区域，以保证能够全面探测泊车环境。
    由于超声测距系统的指向性与探测范围成反比，所以如果要求系统能够更精确地测得障碍物的位置，就必须使用数量较多的小波束角传感器密集阵列。但是这样的方法成本较高，并且影响车辆美观，更重要的是如果传感器密集阵列相互之间还可能会造成干扰，影响探测的可靠性。所以目前的倒车雷达系统大多牺牲了测量的准确性，而选用3～4个探测范围较大的大波束角超声传感器阵列探测。
    这样的设计方法只能够探知障碍物的存在，却无法明确障碍物的具体方位。并且，这样的探测方法也仍旧存在着一定的盲区。如图2所示，在距离车尾较近的位置，如果出现体积较小的障碍物位于两个传感器之间，就很可能会被系统漏测。这是由超声测距系统自身的特性决定的，无法克服。

    图中标号区与为各传感器有效探测范围，阴影部分即为相邻传感器探测区域之间的探测盲区。

3 扇形扫描探测方法
    为了克服超声测距系统指向性差且存在探测盲区的缺点，设计中使用了通过步进电机驱动单套小波束角传感器，做扇形扫描探测的方法。
3．1 扇形扫描探测方法
    在设计中，使用步距角为7．2°的步进电机，驱动波束角为5°的超声传感器。在每一轮扫描中，电机步进20步，扫描车辆正前方左右共144°的范围。这样，从起始位置开始，超声传感器总共会在21个不同的角度上进行测距。步进电机每步进一个角度，测距系统就在当前的角度上测得一个距离信息，结合当前的扫描角度，就会得到一个较为精确的，包含距离、方向两方面内容的位置信息。每完成一轮扫描，就会得到21个连续的位置信息。依据这些信息，就能够较为精确地判断障碍物的具体方位，得知相对准确的泊车环境。扫描角度如图3所示。

3．2 扇形扫描探测的优点
    首先，系统使用小波束角超声传感器进行测距，测距的指向性更加优越；并且，由于系统选用的传感器的有效扫描角度为10°(5°×2，波束角内的范围)，而步进电机每一次只转动7．2°的角度，所以探测范围内的每一个区域都会被重复探测，不会出现障碍物被遗漏的情况，消除了探测盲区的存在。
    此外，由于系统只使用了一套单独的超声测距系统，所以在进行测距工作时不存在传感器之间相互干扰的问题，系统性能更加稳定，结果也更加可靠。
3．3 扇形扫描探测方法的效果
    扇形扫描的探测方法将所需探测的区域划分成一定数量的较小区域逐个探测。这样的方法极大地提高了扫描的准确度，不仅获得了障碍物的距离信息，也获得了较为准确的方向信息。以泊车过程中通常会遇到的方形、圆形、尖角这类障碍物为例，在不同距离上，扫描效果如图4所示。

    虽然探测结果相较于障碍物的实际情况仍有较大差别，但已经比较确切地反映了障碍物的实际分布情况。依据这样的探测结果，可以为驾驶员提供更加直观明确的参考信息，极大地提高了泊车的安全性。
3．4 时效性分析
    使用扇形扫描的探测方法，需要在21个不同的方向上逐个进行距离探测，相比于以往的设计来说，这样的探测方法耗费的时间要长很多。但是对于倒车雷达系统来说，由于泊车时的探测距离不会超过3 m，进行21次测距所需的时间也在几秒钟之内，并且倒车时的车速很慢，所以不会影响正常的倒车行驶。

4 结论
    在倒车雷达的设计中使用扇形扫描的探测方法，不仅能够更加准确地探知环境中存在的障碍物的具体方位，更真实确切地反映泊车环境的实际情况，而且消除了以往设计中普遍存在的探测盲区。实验证明，其探测的准确度至少是传统倒车雷达的6倍以上。这样的设计能够给驾驶员提供更加直观可靠的参考信息，极大地提高了泊车的安全性。