基于STM32的障碍物定位检测系统设计

潘盛辉,曹 蓬,吴甜甜,周黄骞,徐铭武

(广西科技大学 电气与信息工程学院,广西 柳州 545006)

摘 要:为帮助驾驶员及时知晓车辆倒车后方环境,设计了一种基于STM32的障碍物定位检测系统.该系统通过两组超声波传感器分区对障碍物的距离及方位进行检测,根据多路传感器信息的融合得到障碍物的方位信息并进行显示,并按照所划分的3种危险等级的警示音报警.实验结果表明测量误差小,测距准确,满足目前市场需要.

关键词:倒车辅助;距离检测;超声测距;定位

0 引言

倒车雷达一般通过声音警示和液晶屏显示来提醒驾驶员车辆后方障碍物距离[1].声音报警采用声光报警或语音报警,电子声报警通过改变占空比发出不同频率的报警音,驾驶员只能预估大体的距离信息.语音报警直接播报距离信息,存在很大的时延性,无法确保准确播报.屏幕显示包括数值显示和图像显示[2],这两种显示方式直观准确,但驾驶员需要分神查看,增加了倒车风险.所以汽车上往往采取不止一种的提醒方式.然而,在现有的倒车雷达中都无法显示障碍物的具体方位信息.

常见的定位方式有:红外定位、超声波定位、蓝牙定位、RFID定位等方法.其中,由于超声波能够在气体、液体和固体3种形态的弹性介质中传播,并且在传播时方向性强、能量集中[3],传播距离足够远所以适用于近距离定位测距.测距采用的超声波频率通常为40 kHz,在该频率下系统定位精度相对较高.

针对需要研究设计了一种基于STM32的障碍物定位检测系统,可以对车后环境监测,实时采集障碍物距离信息[4],在内部计算处理得到方位信息,使用LCD屏幕显示,对3种距离危险等级采用不同警报音提示[5].

1 系统结构及工作原理

1.1 系统组成

基于STM32的障碍物定位检测系统由超声波雷达测距模块、显示和报警模块、STM32控制模块组成,如图1所示.超声波测距模块由两路超声波模块组成,其中T1,T2为发射模块,R1,R2为接收模块.发射模块发出超声波脉冲信号,若车后有障碍物,超声波会被反射,根据超声波的往返时间,就能确定障碍物到汽车的距离(取最小值).

由嵌入式芯片产生10 μs的触发脉冲,激活超声波传感器的发送端,使发送端发送雷达探测信号.接收端接收返回信号,并将返回信号处理后传至控制芯片.在芯片内部完成计算操作,使用LCD屏显示,并按照所划分区域进行显示,按照3级报警提示音预警.

图1 倒车雷达系统组成图
Fig.1 Component diagram of reversing radar system

根据距离的不同,采用不同的声音警报.距离在1 m~2 m内,产生频率为400 Hz,占空比为40%的报警音;0.5 m~1 m 时,频率变为 800 Hz,占空变为 50%;0~0.5 m 时,频率提升至 1 200 Hz,占空比增大到 60%.使用频率改变声调,占空比提高音量,产生的效果是距离越近警报音越尖锐和声量越大.

2 系统硬件接口电路设计

图2 超声波雷达系统电路接口
Fig.2 Circuit interface of ultrasonic radar system

在本系统中使用STM32的定时器、计数器1作为超声波触发脉冲的产生,使用定时器2作为超声波传感器返回电平信号的检测,采用8080并口线与TFT-LCD液晶显示屏通信.使用通用接口PC5—PC8作为超声波检测,使用PD,PE口作为TFT屏的16位的串行通讯数据及控制总线,硬件接口如图2所示.

硬件按照功能进行模块化设计,包括超声波传感器模块,主控芯片STM32模块以及显示模块TFT液晶显示屏和蜂鸣器报警模块.如图3所示,在系统上电后,超声波模块将信号传输至STM32主控芯片处理,在芯片内部根据超声波测距公式计算得到距离,然后将距离数据发送至TFT液晶显示屏进行显示.如果在某个距离设定阈值,会触发相应的报警模式,提醒驾驶员.

2.1 超声波硬件电路接口设计

发射模块主要由超声探头、起振电路和STM32芯片组成.由STM32芯片引脚发射脉冲信号,对三极管Q1和Q2组成的反馈振荡器进行信号驱动.超声波探头在此电路中既作为输出换能转换器又是反馈耦合器件,其两端的振荡信号近似于方波,发射和接收电路分别如图3、图4所示.

图3 超声波发送电路图
Fig.3 Ultrasonic transmission circuit diagram

图4 超声波接收电路图
Fig.4 Ultrasonic receiving circuit

超声波接收电路采用了红外接收芯片CX20106A,其内部包含:单通滤波、积分比较、整形输出等功能.超声波接收电路将探头接收到的微小信号放大,滤波,整形输出信号波形,得到电平信号,送至STM32芯片进行距离的运算[5].

根据超声波发出时间及回波接收时间间隔,采用取渡越时间法可以计算出距离[4].

式(1)中,D表示检测物体与传感器之间的距离,c代表超声波在空气中的速度,t代表脉冲波由发射到接收的时间差[6].

2.2 蜂鸣器报警电路接口设计

报警电路蜂鸣器使用30 mA驱动电流,因STM32的单个IO最大可提供25 mA的电流,故需要使用驱动电路.采用三极管扩流驱动蜂鸣器,以不到1 mA的电流就能驱动蜂鸣器.报警电路如图5所示,用到一个NPN三极管(S8050)驱动蜂鸣器,使用R60防止蜂鸣器的误发声:PB8为高电平,蜂鸣器发声;PB8为低电平,蜂鸣器停止发声.

2.3 LCD显示接口电路设计

TFTLCD显示模块,具有240*320的分辨率,电阻触摸屏,16位并口驱动,使用ILI9341进行驱动.TFTLCD模块采用16位的并型总线方式与嵌入式芯片连接[7],如图6所示.

图5 蜂鸣器报警电路
Fig.5 Buzzer alarm circuit

图6 LCD与STM32硬件接口电路
Fig.6 LCD and STM32 hardware interface circuit

8080并口通信流程:按数据类型更改RS电平,高电平为数据、低电平为命令.拉低片选,选中LCD.根据是读数据,还是写数据,置RD/WR为低.进行读数据时,在RD的上升沿,读取数据线上的数据(D[15∶0]);进行写数据时,在WR的上升沿,写入数据到LCD.

3AOA定位算法解释

AOA定位算法被称为三角测量,通过移动设备和多个接入点间的角度进行定位.需要通过移动设备测量接收点和发射节点之间的相对方位和角度,然后通过三角测量法计算出节点的位置.

3.1 工作原理

如图7所示,利用两个接收器做AOA定位,移动物体和测距装置的关系如下:

图7 两个接收器做AOA定位
Fig.7 AOA location with two receivors

式中,(x1,y1),(x2,y2)及 α1,α2已知.将式(2)与式(3)联立,即可求得物体坐标(xm,ym).

3.2 实验中计算方法

实验中超声波传感器安装如图8所示,由余弦定理:

求得:

将式(6)带入式(5)即可计算出障碍物体方位坐标信息.

图8 超声波传感器做AOA定位
Fig.8 AOA location with ultrasonic sensors

4 软件设计

主程序流程图软件主要完成:系统初始化、发出控制信号、检测返回信号、计算分析、结果显示及报警功能.

传感器需要使用触发信号才能完成距离的测量[7],使用了PC8,PC6控制信号口分别控制T1和T2的触发.从时间先后上面区分T1和T2发出的脉冲信号,先让T1发,在T1信号发射完毕后使用R1对T1信号进行接收.确定R1接收完毕后,再令T2发射信号,然后由R2接收信号.

在计算过程中完成的是对每次返回信号的脉冲宽度计算处理.计算T1R1和T2R2这两个组合(流程图中以该法表示用以区分数据)的返回时间计算出距离;然后按照AOA算法计算出障碍物的坐标信息;最后按照计算得到的距离进行分级报警,软件流程图如图9所示.

图9 软件流程图
Fig.9 Software flow chart

5 实验及结果分析

由于使用实际车辆测试成本代价昂贵,本实验采用试验小车测试,如图10所示,得到倒车测试数据.倒车预警系统与小车控制模块为独立模块,实验小车上按照等距离安装超声波发送和接收装置.采用锂电池供电,使得测试更加方便.

5.1 距离精度测试

实验小车采用红外遥控控制,实验时只对其进行前后控制操作进行缓慢倒车.按照实际距离与雷达测量距离进行对比,得到误差,并观察本装置液晶屏实时预测范围.

表1 为距离测试数据,在实验中由于很多因素导致实验结果出现误差.经过分析,发现导致实验误差的主要原因是:一是超声波在传播时速度会受到传播介质密度、环境温度的影响[9];二是在测距的编写中采用计数的脉冲频率高低会影响测距精度[10].本实验所用的雷达测量误差<5%,作为普通雷达其测量范围、测量精度符合实际需要.

5.2 定位区域块标定测试

实验中采用实验小车如图10所示,对实验区域进行位置标定处理,画出0.5 m,1.0 m,2.0 m 三条等距离线,用作距离提示作对比,>2.0 m为注意距离,1.0 m~2.0 m 为警告距离,0~1.0 m 为危险距离.在LCD屏上显示如图11所示.将实验小车尾部中心放置于原点,改变障碍物所在位置,观察屏幕显示,并记录数据.实验结果如表2所示.

表1 距离测试
Tab.1 Distance test

图10 实验所用小车实物图
Fig.10 Experimental vehicle

图11 LCD显示定位图
Fig.11 LCD display chart

表2 定位坐标测量与实际坐标位置及误差
Tab.2 Position coordinate measurement and actual coordinate position and error

从表2可以看出由于物体的重心和物体的表面之间存在一定的距离,导致测量值小于实际设定值.随着物体距离与雷达传感器距离的增加,其计算误差逐渐降低.

6 结语

针对目前倒车系统无法完成障碍物方位信息检测,提出了一种新的倒车预警系统,并设计了软硬件平台.系统使用STM32芯片保证了很好的实时性,采用多路超声波雷达检测提高了测量精度,分区域显示障碍物方位信息增加了位置显示的直观性[11],使用不同的报警提示音针对不同距离段增加了距离信息的获取途径[12].通过实验证明,本系统测距误差小于6%,能完成障碍物区域信息检测及显示功能.相比市面上的倒车雷达,功能更加齐全,系统更加稳定,可以推广应用于低档轿车、货车等车辆.

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Design of an anti-collision system for reversing radar based on STM32

PAN Sheng-hui,CAO Peng,WU Tian-tian,ZHOU Huang-qian,XU Ming-wu
(School of Electric and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract:In order to acquire vehicle rear environment timely,a kind of ultrasonic warning system is designed based on STM32.The obstacles of distance and azimuth is detected with 2 groups of ultrasonic sensors according to the sender and the receiver points area detection,and the position and azimuth of obstacles of multiple sensor information fusion is displayed with accurate sound and light alarm according to the division of three alarm levels.The experimental result shows the measurement with less error,high precision and sensitivity to meet the actual needs of the market at present.

Key words:auto back-up aid;distance detection;ultrasonic distance measurement;location

中图分类号:U463.67;TB55

文献标志码:A

(学科编辑:黎 娅)

文章编号:2095-7335(2017)03-0097-06

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.03.016

收稿日期:2016-12-02

基金项目:广西研究生教育创新计划项目(YCSZ2015211)资助.

作者简介:潘盛辉,硕士,副教授,研究方向:汽车电子、车辆动力学,E-mail:40352670@qq.com.