多传感器障碍物检测系统的硬件设计.docx

多传感器障碍物检测系统的硬件设计.docx

《多传感器障碍物检测系统的硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多传感器障碍物检测系统的硬件设计.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

多传感器障碍物检测系统的硬件设计

西南科技大学

毕业设计（论文）

题目名称：

多传感器障碍物检测系统的硬件设计

年级：

2003级■本科□专科

学生学号：

20035040

学生姓名：

余威樊指导教师：

胡莉、曾毅

学生单位：

信息工程学院技术职称：

副教授、讲师

学生专业：

电子信息工程教师单位：

信息工程学院

西南科技大学教务处制

多传感器障碍物检测系统的硬件设计

摘要：

针对汽车行驶安全问题，本文提出了一种基于单片机的多传感器障碍物检测系统的方案，并进行了详细的硬件电路设计。

多传感器的使用是本设计的特色所在，结合ATmega8L单片机，系统可以接收并处理相关外界信息，计算得出检测的结果。

本设计包括障碍物探测电路、障碍物距离检测电路、温度检测电路、车速检测电路、显示电路、声音提示电路等。

在恶劣天气等能见度低的情况下，本设计能够对前方道路状况进行实时监控，发现并检测可能存在危险的障碍物，并将结果给司机进行提示。

本设计结构简单，成本低廉，经过对系统的硬件调试结果，证明设计基本可以实现上述功能。

关键词：

单片机；多传感器；障碍物检测

TheHardwareDesignofMultipleSensorObstacleDetectionSystem

Abstract:

Focusonvehiclesafetyproblem,thisdissertationpresentsadesignaboutakindofmultiplesensorobstacledetectionsystemwhichbasedonthemonolithicprocessor.Theuseofmultiplesensorisaspecialcharacteristicinthisdesign.ThesystemcouldreceiveandcalculatestherelatedmessagefromoutsideandelicitsthedetectedansweraftercombiningtheATmega8Lmonolithicprocessor.Thisdesignmainlyinclude:

obstacledetectioncircuit,obstaclerangingcircuit,temperaturemeasurementcircuit,speedmeasurementcircuit,displaycircuit,voicealarmcircuitandsoon.Thiscouldgivethedriveralarmafterinstantdetectingthefrontroad’sstatusandfindingthepossibledangerousobstacle.Thisdesign’sstructureandcostissimpleandlow.Throughthesystem’shardwaredebugresult,thisdesigncouldbebasicallyvalidatedthefunctionasmentionbefore.

Keywords:

monolithicprocessor;multiplesensor;obstacledetection

第1章绪论

1.1选题背景及意义

本设计中的多传感器障碍物检测系统的主要功能是检测汽车行驶过程中前方是否存在具有潜在危险的障碍物。

随着科学技术的发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。

如今，测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。

传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。

而多传感器的使用，可以使得一个系统的功能更为全面，弥补了单一传感器测量的局限性。

现代道路交通的迅猛发展，使得车辆行驶安全问题越来越受到人们的关注。

随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。

在享受汽车给我们带来的便利的同时，汽车碰撞事故的发生却成为了让人头痛的问题。

车辆之间、车辆与人、车辆与建筑物等障碍物之间的碰撞事故时有发生。

因此，如何在汽车行驶过程中去对道路前方障碍物进行检测，成为一项与车辆行驶安全密切相关的课题而被广泛关注，障碍物检测技术是避免汽车碰撞的主要技术之一，而利用多传感器进行障碍物检测，可以使系统的检测能力大大提高。

近年来由于电子技术的飞跃发展，各种与生活密切相关的电子产品也越来越多地被人们所应用。

汽车电子作为一个新兴产业的迅速发展使得研制高度信息化、电子化的车辆有了基础。

从目前的发展趋势来看，越是高档的汽车，车上所配置的电子设备越多，例如宝马公司的760i车型就配备有近150多种汽车电子产品，许多先进技术被引入了汽车的安全性和舒适性设计。

各大汽车厂家也在提高燃油经济性、降低汽车排放的同时，越来越多地注重提高汽车的舒适性能和安全性能，使得司机在轻松和舒适的驾驶环境中还能更安全的驾驶汽车。

众多技术中，障碍物检测技术的产生和发展，对于提高汽车驾驶安全性具有重要的意义。

根据公路交通汽车事故分析表明：

80%以上的车祸是由于司机反应不及时或判断失误造成的。

计算表明：

司机反应迟缓1秒钟，时速60km的汽车可前进约17m，由此可能会产生不堪设想的严重后果。

在夜间或是恶劣天气条件下，能见度低，司机视距小，中高速行驶时很难及时发现前方障碍物并采取必要措施，这也增加了汽车驾驶的安全隐患。

统计表明：

在撞车事故中，45%是司机未看清前方有车，30%的司机虽发现有车但来不及采取措施。

根据德国Daimler-Benz公司对汽车事故研究证明：

若司机能提早0.5秒钟意识到危险并采取措施，可避免迎面碰撞事故30%，尾撞事故50%，若提早1秒钟采取措施则绝大多数事故可避免。

所以在出现危险情况之前，提前进行安全预警，有重要的意义。

车用障碍物技术就是基于这个目的而产生的，相关产品的应用，对减少汽车碰撞事故的发生率会起到很大的作用。

本设计的设计目标是，在夜间或恶劣天气中，利用多传感器的设计，当车辆前方预定距离范围内出现障碍物时系统能够及时检测到，并对司机做出提示，以便司机及时了解前方道路状况并提早采取相应措施。

本设计进行障碍物检测主要是为了帮助司机，从成本角度考虑，设计的功能主要放在发现前方障碍物，测量障碍物距离以及对司机的预警提示这几部分上，在尽量保证系统精简的前提下，实现本设计的关键功能。

低成本的设计符合我国市场的需求而又可以增加设计的实用性。

1.2国外研究现状

从70年代起，美国、英国、法国、德国、意大利、日本和原苏联均意识到了研制车用障碍物检测系统的重要性并着手投入了大量的人力和物力进行研制。

从目前掌握的技术来讲，车用障碍物检测系统可用超声波、激光和微波雷达技术实现。

世界各大汽车公司已经开始采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等技术来用于汽车行驶过程中障碍物的检测，应用在其所开发的高级汽车上。

Daimler-Benz公司开发出了供大型商用车使用的电子刹车系统，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，由一个中央处理芯片来对雷达收集到的信息进行处理，形成虚拟图像。

之后再借助演算法的辅助来判断何种情况下需要进行刹车。

未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但因它对系统性能要求比较高，所以硬件成本很高，价格昂贵，这限制了它应用的普遍性。

这种系统的特点是不光可以提示司机前方的道路情况，而且可以在紧急情况下参与汽车的制动。

通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。

该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息，这种系统还采用特殊镜头实现夜视的功能以适应全天候工作，增加了该系统的实用性。

德国无线电通信研究所研制出一种装备于大众帕萨特汽车的调频连续波（FMCW）汽车障碍物检测系统。

该系统中设计了一种自适应智能行驶控制系统（AICC），汽车的刹车和加油均由AICC计算机根据路况分析后进行自动控制，只有汽车方向由人掌握。

该系统大大减轻了司机的工作压力，并且提高了车辆行驶的安全性。

瑞典CelsiusTech电子公司研制的77GHz的AICC特别适用于高速公路。

在前方无车辆时，系统以驾驶者设定的速度行驶；快接近前方车辆时，系统根据雷达传感器测得的本车与前面车间的距离及接近速度来控制本车的速度，从而与同一车道上离得最近的车辆保持安全距离，并自动跟踪这辆车；当该车转向或加速并超过本车设置速度时，系统就会放弃跟踪，进入恒速运动状态。

以上的两种AICC均可根据道路情况自行控制汽车的速度。

美国VOPAD汽车障碍物检测系统已广泛应用于各种大型卡车，装在Greyhound车队试用的第一年，事故就减少了25%，是该车队事故记录最少的一年。

由此可见将障碍物技术用于汽车，对于减少道路交通事故的发生率是很有效的。

国内外关于障碍物检测系统的研究，有很多的工作是关于不同传感器的研究，因为基于各种不同的传感器就有不同性能的检测方案，当前主流的用于障碍物探测的传感器的性能对比如表1-1所示：

表1-1主流传感器性能比较

超声波

红外线

激光

视频

毫米波

最大探测距离

10m

10m

波束能量集中，传输距离可达150m

大于100m

大于150m，取决于波束宽度和接收灵敏度

响应时间

较快，约15ms

慢，1×103ms

较快，约10ms

取决于处理时间

快，可达1ms

探头磨损、污染等因素影响

几乎没有影响

影响不大

很大，使探测距离减少1/2-1/3

大，直接影响分辨能力

较小

成本比较

探头约20元一支，工作机理简单，探头易安装

约80元

约500元

大于1000元

大于1500元，价格昂贵，结构复杂

环境适应性

好，可以工作在恶劣环境中

差，但在能见度低时比其它光学系统好

差，受恶劣的天气、汽车激烈的震动影响

差，能见度不好的条件下无法工作

较好，不受能见度的影响

1.3本文主要研究的内容

本文对多传感器障碍物检测系统的硬件设计过程进行了完整的描述。

第1章的前两节介绍了本课题的国内外研究现状，列举了相关的技术。

第2章提出系统所需实现的功能，并分别阐述了针对每一功能模块的硬件方案选择过程，针对所选择的方案，分析其工作原理，完成了器件的选型。

第3章介绍了系统总体硬件设计，包括各部分和整体的电路图，完全了一个基于ATmega8L芯片的单片机系统的整体设计。

第4章是系统硬件的联机调试过程，并针对调试过程中遇到的问题进行了分析和解决，分析了系统的误差的可能成因。

在论文的结论部分总结了设计过程中所做的工作及系统可改进的地方，以及通过设计过程对相关知识的了解以及思考产生的对于相关产品发展方向的见解。

第2章总体方案论证

参考市面上已投入应用的障碍物检测系统，总结出相关产品基于的技术原理以及实现方法。

但在设计时需考虑到我国市场需求情况和技术水平限制，有必要从众多可行方案中选择低成本又可达到设计目的的方案来用于本系统的设计。

2.1系统主要概念

2.1.1传感器的概念

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

2.1.2多传感器的概念

多传感器中“多”的概念通常是指同一系统中所使用的传感器的种类较多，而不是仅仅是传感器数量多少的问题。

之所以在越来越多的系统中要应用多个不同种类的传感器，是与社会各方面对电子产品智能化的要求越来越高密不可分的。

多传感器的应用引入了“信息融合”的概念，信息融合的基本原理就是将来自多个传感器或多源的信息进行综合处理，从而得出更为准确、可靠的结论。

对于电子产品来说，信息融合技术有助于提高产品功能的全面性并且可以使产品的各种功能更为协调。

智能机器人就是典型的多传感器信息融合技术应用的实例。

在本设计中，利用多传感器对于障碍物进行检测，有助于使系统的检测效率和精度更高。

2.1.3障碍物检测的概念

本设计中的障碍物检测功能，其主要目的是为了保障碍汽车安全行驶。

因此检测的障碍物主要是汽车行驶过程中，在道路前方可能会影响到行驶安全的具有潜在危险的其它车辆或体型较大的石块等物体。

本设计对障碍物的检测，主要是探测前方是否存在障碍物并测量障碍物距本车的距离。

2.2系统总体功能及方案选择

本设计的总体方案设计过程，从分析系统需实现的功能入手，以设计出最为精简的低成本车用安全报警系统为目标，对实现各功能所需的硬件进行筛选，具体分析如下。

2.2.1系统需实现的功能

1、探测前方障碍物

该功能用于探测障碍物是否存在，当车辆前方有障碍物出现时，障碍物检测系统应该及时发现，并做出相应动作。

按照设计要求，该系统应该检测出正前方5m范围内是否有车辆或大型石块等影响驾驶障碍物。

2、检测障碍物的距离

这是该系统设计中重要的组成部分，需要一个测距系统来完成，该测距系统能够实时检测与前方障碍物之间的距离，检测距离范围和精度都应满足设计要求。

3、实时车速检测

汽车行驶过程中不同的车速下，障碍物的距离对汽车行驶安全的威胁值是不同的，加入实时车速检测的功能，即可根据汽车当前的车速与障碍物的距离来判断是否有安全威胁。

4、危险提示功能

因为我们的障碍物检测系统，其主要目的是用于保障汽车行驶安全，所以在它完成了对障碍物的检测过程后，还应根据程序的设计，在较危险的时候给司机进行预警。

5、其它功能

由于车辆行驶速度较快，障碍物检测系统在使用过程中，系统对信号的处理速度要快，并且由于在汽车上使用，需采用节能设计以保证系统长期稳定的工作。

另外系统应保证较高的测量精度。

2.2.2各功能模块方案选择

系统从功能上主要由五部分组成，除了中央处理单元和电源模块外，其它4个模块分别对应了本文2.2.1条中所提出的系统要实现的前4种主要功能。

中央处理单元掌管了系统各模块的运作，并融合在其它功能模块中。

每一模块要选择最合适的硬件实现方案。

根据市场调研以及设计要求，针对每一模块进行方案选择论证如下：

1、中央处理单元

这个中央处理单元的作用是将其它功能模块联接起来整合成一个系统。

在中央处理单元的选择上，在障碍物检测系统方面已经投入应用的产品，大多采用DSP芯片或单片机，针对系统性能的要求来决定选用哪一种，按照本设计的功能与成本要求，采用单片机作为中央处理单元即可。

近年来单片机的应用越来越广泛，在工业控制、智能化仪表、通信、家用电器等领域均有应用，单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还有一些具有与它自身应用领域相适应的特点，单片机与通用微机CPU相比，具有以下特点：

（1）抗干扰性强，工作温度范围宽。

通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力低；

（2）可靠性高。

在工业控制中，任何差错都有可能造成及其严重的后果；

（3）控制功能很强，数值计算能力较差。

通用微机CPU具有很强的数值运算能力，但控制能力相对较弱，将其用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路；

（4）指令系统比通用微机系统简单；

（5）更新换代速度比通用微机处理器慢得多。

常用的51系列和AVR系列，都有很多不同档次的产品可供选择，选择的时候尽量选择性能合适的，并且可以为整体精简电路提供便利的单片机，经过市场调研和查阅相关产品的技术手册，选择了AVR系列的对于本设计来说性价比很高的mega8单片机，型号为ATmega8L，其引脚分布如图2-1所示：

图2-1ATmega8L单片机的引脚配置

ATmega8L是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。

在AVR家族中，ATmega8L是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点。

但由于采用了小引脚封装（为DIP28和TQFP/MLF3），所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可以进行单片机嵌入式系统的设计和开发，也为单片机初学者提供了方便和简捷的学习开发环境。

ATmega8L不需要价格较贵的烧写器，这也为整个系统的调试创造了便利的条件。

这就使得ATmega8L在本设计中的性价比更为突出。

2、障碍物探测模块

系统要探测前方是否存在障碍物，在第1章中所提到的基于各种传感器的障碍物检测术均可实现，因此该部分可以由微波雷达、超声波、激光等方法来实现，本设计中的车用安全报警系统中还有一个具有测距功能模块，如果将这个测距模块用作障碍物检测，则一旦整个系统通电处于运行状态，即使前方什么都没有，这个测距模块还要一直要工作。

测距模块在安全报警系统中是消耗硬件资源最大的一个模块，显然它一直处于工作状态对于节能来讲是很不可取的。

所以系统需要一个专门的障碍物检测模块，而这个模块必须比测距模块简单且省硬件资源。

经过查阅相关资料和市场调研在本设计中选择了微波雷达探测器来完成障碍物检测功能，这个微波雷达探测器型号为T9251A。

它的功能基于微波传感器探测技术来实现，其实物图如图2-2所示：

.

图2-2T9251A型微波雷达探测器实物照片

T9251A型微波雷达探测器的工作参数，工作电压：

直流12V；守候电流：

4.5mA；驱动电流：

50mA；探测区域：

半径：

7m以内；触发输出：

10秒；环境温度：

-10℃~50℃。

微波雷达探测器T9251A是一种将微波收、发设备合置的探测器，工作原理基于多普勒效应。

微波的波长很短，在1mm~1000mm之间，很容易被物体反射，金属材料对微波的反射性很好，所以用于检测前方的汽车很有效。

微波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射波信号的频率会产生微小的偏移，此时可认为有障碍物出现。

微波雷达探测器的发射能图与所采用的天线结构有关，结合题目要求，采用定向天线（如喇叭天线），可以产生宽泪滴形或又窄又长的泪滴形能图，这种情况下其测量距离也能增加，从而来探测汽车前方狭长范围内是否存在障碍物。

按照其产品说明，当探测到前方存在障碍物时，微波雷达探测器TWH9251A向系统输出一个高电平，本设计中，由ATmega8L单片机来对这个高电平做出相应动作。

3、障碍物检测模块

本设计中的障碍物检测，需要对障碍物的距离进行测量，在第1章已提到,基于各种不同的传感器有不同的检测方案，下面分别就一些常用的方案进行介绍，根据其特点结合本设计的要求来讲述测距模块的实现方案选择。

（1）红外测距法

传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光；接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。

其特点是在能见度较低的情况下仍可使用，但是反应速度较慢。

红外（Infra-red）防撞雷达是采用砷化镓半导体发光二极管作红外线辐射器，以硅光二极管作红外接收器。

石英振荡器1输出信号经放大及波形变换后变为脉冲信号，通过门电路分为两路，一路直接送调制发光二极管，使之发出调制光波；另一路送至逻辑混频器与石英振荡器2送来的脉冲信号进行逻辑混频产生出低频脉冲信号，作为数字相位测量的参考信号。

当发出的已调红外光信号碰到其它汽车而反射回来为硅光电二极管所接收，转变为电信号，经放大与石英晶体振荡器2输出的本振信号进行模拟混频，再经低放和波形变换变为测距信号。

单片机控制器对输入的测距信号和参考信号进行比相，算出它们的相位差，以及与之相应的距离数据，并与预置的减速距离数据和刹车距离数据进行比较，一旦达到减速距离数据或刹车距离数据，控制器就会及时输出减速信号或刹车信号，使汽车减速或刹车，从而避免撞车。

同时，单片机算出的距离数据也会送到距离显示器，由司机根据情况自行处理。

（2）激光测距法

激光测距系统主要有脉冲和扫描两种工作方式，激光测距系统具有反应快、有效测量距离大、分辨率高、误差小等优点。

由于激光镜头易受灰尘、雨雪、风砂的污蚀而影响其工作性能。

激光（Laser）雷达是靠激光波束照射在前车上的反射镜（装在汽车后部）反射回来的激光波束深测两车距离。

由于天气因素（如雨、雪、雾）和反射镜本身因素（如安装位置、表面污染、磨损或老化等）的影响，使反射激光束散射损失增加，从而影响到探测的准确性，并使在一定功率下探测距离比可能探测的最大距离减少1/2~1/3。

试验表明：

限于目前的技术水平，激光雷达在与前车距离不超过30m时才能探测到前方车辆。

（3）微波雷达测距法

微波雷达测距系统所使用的微波，工作频率高、波长短，可有效地缩小波束角度、减小天线尺寸，适合在恶劣天气条件下工作。

缺点是与其它通信系统之间会有电磁干扰。

微波雷达通常由传感器、信号处理器和控制器三部分组成。

工作原理是：

首先由传感器通过天线发射出微波探测信号，并由天线接收经障碍物反射回来的微波信号，送到信号处理器作分析处理，得出障碍物的相对距离、速度等数据，并把该数据输送给处理中心，处理中心再与由本车传感器输入的本车有关信号（如车速、制动气压等）综合，发出两种指令：

一种指令给本车操作系统，如自动减速、换档、制动等；另一种指令则是给司机的警示信号，如减速、制动、转向、停车等。

从而起到操作汽车防止与障碍物相撞之目的。

（4）超声波测距法

超声波测距的基本原理是利用其反射特性。

其特点是所利用的超声波对雨、雾、雪的穿透能力强，可以在恶劣气候条件下工作，系统制作简便，成本低。

其主要缺点是测量反应时间长，波束发散角大，误差较大。

运用超声波（Super-sonicWave）技术制成的汽车防撞雷达的工作原理是：

由脉冲信号发生器产生的脉冲信号一路送单片机控制器，另一路用以调制超声波。

经脉冲调制后的4kHz超声波放大后经送波器（超声喇叭）向外辐射。

当已调超声波在前向（或后向）碰到其它汽车而反射回来之超声波由受波器（超声拾音器）接收并经放大、检波、再放大后送到单片机控制器进行数据处理。

在单片机控制器中首先对接收到的回波信号与脉冲信号发生器送入的参考信号进行比较，从而计算出延时和与之相应的两车间距离，当计算出的距离达到预置的减速距离时，控制器输出减速信号自动控制汽车减速；当距离达到预置的刹车距离时，控制器则及时输出刹车信号立即刹车以防撞车。

控制器输出的车距同时送到距离显示器。

这样，司机可根据显示距离自行处理。

这种超声波雷达结构简单、价格低廉、体积小、重量轻。

缺点是易受到大气紊流和气涡的影响。

此外，由于目前的受波器的功率小，其作用距离只能达到几米到十几米。

如果能研制出一种新型高功率送波器，把作用距离至少提高到80m以上，则将会有很好的应用前景。

以上就是关于距离测量的四种备选的方案，它们的差别，主要体现在成本和系统的复杂程度上。

本设计的测距方案选择：

红外测距系统，由于其相对超声波测距系统，反应慢且成本更高，故在本设计中不予采用；激光测距系统所使用的激光测距传感器价格较高，故也不予采用；微波雷达测距系统由于其对数据处理要求较高，除单片机外一般还需要加相应的DSP芯片才能完成测距系统，成本超出本设计的预期水平