0 引言

    據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，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(dǎo)致道路狀況變得十分復(fù)雜，交通事故頻頻發(fā)生，不僅對人身安全造成嚴(yán)重傷害，而且每年因?yàn)榻煌ㄊ鹿蕦?dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)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?yàn)槔贸暡ㄌ綔y障礙物時有很多優(yōu)點(diǎn)，例如它對雨、雪、霧等的穿透力強(qiáng)，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(chǔ)，將其與超聲波傳感器結(jié)合使用，可以使設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化，方向判斷更加準(zhǔn)確^[2-5]。

    本文所設(shè)計(jì)的車輛障礙物探測系統(tǒng)，是利用模糊邏輯理論和數(shù)據(jù)融合的思想，由多個超聲波傳感器組成探測網(wǎng)絡(luò)，對障礙物進(jìn)行距離和方位的探測^[6-7]。此外，本探測系統(tǒng)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)GPS定位功能，能實(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)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(chǎn)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(jù)融合算法完成數(shù)據(jù)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(nèi)，語音模塊將會發(fā)出警告信息，提示駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的操作^[8]。

2 硬件設(shè)計(jì)

    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(bào)模塊、GPS模塊和多個超聲波傳感器等構(gòu)成。在主控單元中采用模糊邏輯和數(shù)據(jù)融合的思想對采集到的信息進(jìn)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(shè)計(jì)的核心，控制著整個系統(tǒng)的正常工作，承擔(dān)著各個模塊之間的數(shù)據(jù)融合，并利用相應(yīng)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理。本設(shè)計(jì)使用STM32-F103RDT6作為主控單元，在主控單元上搭載μC/OS-Ⅲ實(shí)時操作系統(tǒng)，并利用USART串口通信實(shí)現(xiàn)主控單元與各個模塊之間的數(shù)據(jù)通信和主控單元對各個模塊的控制和調(diào)度，以此來保證系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。

2.2 超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)

    超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)是本設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)動電路和超聲波傳感器網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)PWM信號，分別傳輸?shù)絊P3232的T1IN和T2IN，然后產(chǎn)生+6 V和-6 V的電壓，并且在T1Out和T2Out端產(chǎn)生12 V的電壓驅(qū)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(guān)，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(guān)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(jìn)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(shí)際方位時存在很大的缺陷，而現(xiàn)實(shí)中障礙物可能存在于汽車的任何方位。為了實(shí)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(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的障礙物的位置信息將傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dāng)探測器網(wǎng)絡(luò)探測到障礙物后，將利用模糊邏輯算法進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

    由于1、2、3和4、5、6傳感器呈對稱設(shè)計(jì)，因此本文只研究車頭部位的1、2、3傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(jù)，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(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(dāng)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(jìn)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(jīng)過上述的探測過程，會得到9個障礙物距離數(shù)據(jù)，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(jù)不同，所以可以利用模糊邏輯理論中的隸屬度函數(shù)關(guān)系來探測障礙物的距離和方位信息。本傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)系越大。因此，可以利用測得的距離數(shù)據(jù)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(jìn)行求和運(yùn)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(jù)的大小，通過計(jì)算得δ=0.05。根據(jù)δ與的關(guān)系可判斷障礙物位于圖4的5個設(shè)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(shí)際方位。

    假定將傳感器網(wǎng)絡(luò)中探測警戒閾值設(shè)置為a=150 cm，當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    本文介紹了傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yàn)中將障礙物放置在距離傳感器網(wǎng)絡(luò)150 cm處的A、B、C、D、E區(qū)域中進(jìn)行測試，得到測試結(jié)果如表2所示。

    當(dāng)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(yīng)用的Distronic Plus技術(shù)^[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(nèi)，系統(tǒng)將會通過警示燈和蜂鳴器發(fā)出警報(bào)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?yán)走_(dá)系統(tǒng)方面，平原大學(xué)朱利娜^[12]、重慶科技學(xué)院高月華^[13]、西安航空學(xué)院王莘^[14]雖然對超聲波測距進(jìn)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(wǎng)絡(luò)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(jié)語

    本文設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)利用了模糊邏輯理論和數(shù)據(jù)融合算法思想，不僅可以實(shí)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(shí)現(xiàn)測量障礙物方位的功能，能夠準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)器視覺判斷障礙物形狀及位置，有益于實(shí)現(xiàn)行車/停車安全、尋車管理等功能，在無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

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作者信息：

張達(dá)峰，劉宇紅，張榮芬

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽550025）