0 引言

    據國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，駕駛員自身因素和行車低于安全車距是造成交通事故的主要因素,。同時,，隨著汽車數(shù)量的增加，導致道路狀況變得十分復雜,，交通事故頻頻發(fā)生,，不僅對人身安全造成嚴重傷害，而且每年因為交通事故導致的經濟損失也高達數(shù)千萬,。因此,，交通安全問題成為不能忽視的重大社會問題。

    現(xiàn)今的障礙物探測傳感器大多數(shù)是采用超聲波傳感器,，因為利用超聲波探測障礙物時有很多優(yōu)點,，例如它對雨、雪,、霧等的穿透力強,，衰減小，可以在雨雪等惡劣天氣下正常工作^[1],。但是,，超聲波探測物體時的方向性較差，用單一的傳感器只能探測基本處于正前方的物體的距離,，而不能判定被探測物體的方向,。模糊邏輯理論在判斷不確定性問題時具有良好的理論基礎，將其與超聲波傳感器結合使用,，可以使設計方案進一步優(yōu)化,，方向判斷更加準確^[2-5]。

    本文所設計的車輛障礙物探測系統(tǒng),，是利用模糊邏輯理論和數(shù)據融合的思想,，由多個超聲波傳感器組成探測網絡，對障礙物進行距離和方位的探測^[6-7],。此外,，本探測系統(tǒng)可進一步實現(xiàn)GPS定位功能，能實時顯示車輛的位置信息和周邊信息,，同時具有語音提醒功能,，在緊急情況時及時通知駕駛員減速,、注意前方有障礙物等，以此來減小交通事故發(fā)生的可能性,，也可以實現(xiàn)停車安全,、尋車管理等方面的功能。

1 超聲波測距原理

    汽車超聲波障礙物探測系統(tǒng)利用了超聲波測距原理：

式中：S為待測距離,，v為聲音在空氣中的傳播速度,，Δt為超聲波從發(fā)射聲波到接收的時間差。本文汽車超聲波障礙物探測系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示,。當汽車在行駛過程中,，超聲波傳感器也處于工作狀態(tài)，裝置在汽車周圍的超聲波傳感器探頭發(fā)送超聲波,，遇到障礙后產生回波,，超聲波接收器將接收到的信號傳回主控單元，由主控單元利用模糊邏輯和數(shù)據融合算法完成數(shù)據的分析處理,，并判斷出障礙物的距離和方位,，如果處在閾值范圍內，語音模塊將會發(fā)出警告信息,，提示駕駛員進行相應的操作^[8],。

2 硬件設計

    由圖1可以看出，本文的超聲波障礙物探測系統(tǒng)由主控單元,、語音播報模塊,、GPS模塊和多個超聲波傳感器等構成。在主控單元中采用模糊邏輯和數(shù)據融合的思想對采集到的信息進行分析,，判斷出障礙物的具體距離和方位信息,。

2.1 主控單元

    主控單元是整個系統(tǒng)設計的核心，控制著整個系統(tǒng)的正常工作,，承擔著各個模塊之間的數(shù)據融合,，并利用相應算法對數(shù)據進行判斷和處理。本設計使用STM32-F103RDT6作為主控單元,，在主控單元上搭載μC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng),，并利用USART串口通信實現(xiàn)主控單元與各個模塊之間的數(shù)據通信和主控單元對各個模塊的控制和調度，以此來保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性,。

2.2 超聲波障礙物探測網絡

    超聲波障礙物探測網絡是本設計的核心,，包括發(fā)射和接收兩部分。選取的是US40-16C超聲波探測器,，它具有發(fā)送超聲波和接收超聲波一體化的結構特性,，這樣就節(jié)省了很大的安裝空間。同時，US40-16C超聲波探測器具有較大的探測范圍(輻射范圍大約為75°)和較長的探測距離,，可以通過其測得前方18 m之內障礙物的距離信息。

    系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路是由超聲波驅動電路和超聲波傳感器網絡組成,。超聲波發(fā)射電路如圖2所示,，其中STM32的高級定時器TIM1輸出40 kHz、占空比為50%的互補PWM信號,，分別傳輸?shù)絊P3232的T1IN和T2IN,，然后產生+6 V和-6 V的電壓，并且在T1Out和T2Out端產生12 V的電壓驅動超聲波傳感器發(fā)射40 kHz的超聲波,，每次發(fā)射8個周期脈沖,。電路通過9013三極管來控制SP3232電源的開關，發(fā)射之前打開SP3232的電源,，等到電路穩(wěn)定后開始發(fā)射超聲波,，并在發(fā)射之后關閉SP3232的電源。這樣不僅可降低發(fā)射電路對接收電路的干擾,，而且還可以降低功耗^[9],。

    超聲波接收電路的主要作用是接收超聲波信號，它由信號整形部分和信號采集部分組成,。由于反射波信號會由于距離的增大而減小,，因此本系統(tǒng)利用NE5532對發(fā)射信號進行放大、濾波處理,。超聲波接收電路如圖3所示,。

    超聲波探測器在測量物體距離上具有很好的優(yōu)勢，但是在探測物體的實際方位時存在很大的缺陷,，而現(xiàn)實中障礙物可能存在于汽車的任何方位,。為了實現(xiàn)汽車周圍障礙物距離和方位的同時測量，本系統(tǒng)使用6個超聲波傳感器,，每3個放置在同一水平高度不同指向（車頭和車尾）,，編號依次是1、2,、3,、4、5,、6,。根據傳感器網絡所采集的障礙物的位置信息將傳感器網絡劃分為10個區(qū)域，編號依次是 A,、B,、C、D、E,、F,、G、H,、I,、J，前5個分別表示汽車車頭的左方,、左前方,、前方、右前方,、右方區(qū)域,，后5個分別表示汽車車尾的左方、左后方,、后方,、右后方、右方區(qū)域,。當探測器網絡探測到障礙物后,，將利用模糊邏輯算法進行數(shù)據融合，通過隸屬度函數(shù)判斷出障礙物的距離和方位信息,。

3 軟件設計

    由于1,、2、3和4,、5,、6傳感器呈對稱設計，因此本文只研究車頭部位的1,、2,、3傳感器網絡，如圖4所示,。

    由于障礙物可能出現(xiàn)在不同的探測區(qū)域,，同一個超聲波傳感器會采集到不同的數(shù)據，因此使用多次反射法來探測障礙物的位置信息,。多次反射法就是在傳感器探測網絡運行時,，第一次傳感器1發(fā)出超聲波信號，同時使1,、2,、3號傳感器處于接收回波模式狀態(tài)，當檢測到回波時,，會把各個探測器測到的障礙物的距離信息進行存儲,。但是，如果障礙物的距離超過傳感器的探測范圍時，也就是探測器不會探測到障礙物時會自動存為0,。第二次使2號傳感器發(fā)出探測信號,，1、2,、3號同時接收信號并存儲距離信息,；第三次使3號傳感器發(fā)出探測信號，1,、2、3號同時接收信號并存儲距離信息,。

    經過上述的探測過程,，會得到9個障礙物距離數(shù)據，并存儲到一個3×3的向量空間中,。由于障礙物出現(xiàn)在不同區(qū)域時,，相同傳感器獲得的數(shù)據不同，所以可以利用模糊邏輯理論中的隸屬度函數(shù)關系來探測障礙物的距離和方位信息,。本傳感器網絡采用以障礙物距離為變量的隸屬度函數(shù),，距離越小，隸屬關系越大,。因此,，可以利用測得的距離數(shù)據定義一個隸屬度函數(shù)^[10]：

式中，i=1,，2,，3為探測傳感器的編號；r_ij為第i號傳感器接收第j號傳感器的回波所測得的障礙物的距離,，j=1,，2，3,；u_ij為第i號探測器探測時,，障礙物對傳感器j的隸屬度。由式(2)可以得到一個隸屬度空間：

    在隸屬度空間中,，矩陣的每一列都是障礙物對第j號傳感器的隸屬度,，因此對矩陣的每一列進行求和運算，如式(4)所示：

    由式(4)可以求得障礙物對第j號傳感器的隸屬度的總和根據的大小,，通過計算得δ=0.05,。根據δ與的關系可判斷障礙物位于圖4的5個設定區(qū)域中的哪一個，如表1所示,。

    其算法為：

    利用此方法,，可以判斷出障礙物的實際方位。

    假定將傳感器網絡中探測警戒閾值設置為a=150 cm，當傳感器網絡探測到障礙物時,，如果距離小于150 cm時,，語音模塊將會發(fā)出提示警告。具體的工作流程如圖5所示,。

4 實驗結果分析

    本文介紹了傳感器網絡對于障礙物位置信息的測試方法,，通過此方法不僅可以測得障礙物的距離信息，還可以測得障礙物的方位信息,，使障礙物的位置信息更加明確,。例如，試驗中將障礙物放置在距離傳感器網絡150 cm處的A,、B,、C、D,、E區(qū)域中進行測試,，得到測試結果如表2所示。

    當今世界上做得較好的汽車避障系統(tǒng)要數(shù)奔馳S級轎車應用的Distronic Plus技術^[11],。該系統(tǒng)可以測得汽車前方物體的相對距離,，如果汽車處于危險范圍內，系統(tǒng)將會通過警示燈和蜂鳴器發(fā)出警報信號,，提醒駕駛員減速,、避障等操作，但是駕駛員并不能掌握汽車盲區(qū)的障礙物信息,。此外,，在汽車倒車雷達系統(tǒng)方面，平原大學朱利娜^[12],、重慶科技學院高月華^[13],、西安航空學院王莘^[14]雖然對超聲波測距進行創(chuàng)新和優(yōu)化，但是一方面采用單個超聲波傳感器只能測得障礙物的距離,，并不能測得障礙物的方位信息,；另一方面，測得障礙物位置信息誤差大,，因此對駕駛員判斷障礙物的具體位置還是存在一定的缺陷,，而且對汽車前部和尾部的盲區(qū)檢測不到。本系統(tǒng)采用三相超聲波傳感器網絡不僅可以測得障礙物的距離信息,，還可以測得障礙物的方位信息,，對駕駛員判斷障礙物的具體位置有非常好的輔助作用。

5 結語

    本文設計的傳感器網絡利用了模糊邏輯理論和數(shù)據融合算法思想,，不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)超聲波傳感器測量障礙物距離的功能,，而且還可以實現(xiàn)測量障礙物方位的功能,，能夠準確地判定障礙物的具體信息。在測量障礙物時采用了多次反射法,，提高了測量的準確性和穩(wěn)定性,，對保障行車安全具有重要意義。

    本文的車輛防碰撞系統(tǒng)未來還可以配合機器視覺判斷障礙物形狀及位置,，有益于實現(xiàn)行車/停車安全,、尋車管理等功能，在無人駕駛技術領域具有廣闊的應用空間,。

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作者信息：

張達峰，劉宇紅,，張榮芬

（貴州大學 大數(shù)據與信息工程學院,，貴州 貴陽550025）