随着社会的发展，经济的进步，越来越多的汽车涌上了街头，随之带来交通事故的增多。因此汽车防撞系统受到了跟多人的重视。而由毫米波雷达、激光雷达以及CCD立体视觉系统组成的汽车防撞系统因成本高而无法应用与普通的汽车。超声波测距系统组成的汽车防撞系统，具有成本低、受外界影响小的优点，因此研究大作用距离超声波测距系统组成的汽车防撞系统具有十分重要的意义。
本文采用超声换能器组成的超声波测距系统设计实现汽车防撞系统。整个系统包括超声波发射与接收系统，单片机控制器，LED显示部分，扫描驱动部分。
关键词：汽车防撞系统超声换能器大作用距离测距系统
Abstract
With the development of social and economic progress, an increasing number of cars appear on the streets, which bring more and more traffic accidents. As a result, vehicle collision avoidance systems are paid great attention to. But the vehicle collision avoidance system composed of millimeter-wave radar, laser radar and CCD three-dimensional visual system are too expensive to be used in ordinary cars. The vehicle collision avoidance system using Ultrasonic Ranging has two great advantages, such as low cost and not subject to outside influence. So the study of vehicle collision avoidance system composed of ultrasonic ranging system is significant.
In this paper, the vehicle collision avoidance system contains ultrasonic ranging system composed of ultrasonic transducer. The system consists of Ultrasonic launching and receiving systems, SCM controller, LED display part and the scanning driver.
Keywords: Automobile collision avoidance system Ultrasonic transducer Large sensing-range Distance measurement system
第一章绪论 ................................................................................................................ - 1 -1.1研究背景与课题来源 (1)
1.1.1 各类车载测距传感器及其性能 ................................................................. - 2 -
1.1.2 课题的提出 ................................................................................................. - 2 - 1.2汽车防撞系统的现状 (4)
1.3超声波测距系统 (5)
1.3.1可变阈值与回波包络检波法 ........................................................................ - 6 -
1.3.2 基于互相关函数的时延估计法 ................................................................. - 6 -
1.3.3 谱线分析法与自适应时延估计 ................................................................. - 6 - 1.4超声波测距与定位技术的发展概况. (7)
1.5主要研究工作及内容 (7)
第二章超声波发射与接收电路................................................................................ - 9 -2.1大作用距离超声波换能器. (9)
2.1.1 超声波物理特性与换能器技术指标 ........................................................... - 9 - 2.2超声波发射电路的设计 (11)
2.2.1 推挽变换器的工作原理 ............................................................................. - 11 -
2.2.2 推挽变换器的转换效率 ............................................................................. - 12 - 2.3超声波接收电路的设计 (13)
2.3.1 低噪声前端放大器 ................................................................................... - 13 -
2.3.2 滤波放大电路与电源 ................................................................................. - 15 - 第三章超声波测距系统.......................................................................................... - 16 -3.1超声波测距算法分析 .. (16)
3.1.1 问题分析 ..................................................................................................... - 16 - 3.2超声波测距系统的实现 . (17)
3.2.1单脉冲数字相关测距 .................................................................................. - 18 - 第四章超声波测距汽车防撞系统的设计................................................................ - 19 -4.1系统硬件设计.. (19)
4.1.1系统硬件总体框图 ...................................................................................... - 19 -
4.1.2超声波发射部分 .......................................................................................... - 20 -
4.1.3超声波接收部分 .......................................................................................... - 21 -
4.1.4单片机控制部分 .......................................................................................... - 21 - 4.2系统软件设计.. (22)
4.3系统的调试与优化 (23)
总结 .............................................................................................................................. - 25 -致谢 .............................................................................................................................. - 26 -参考文献 ...................................................................................................................... - 27 -
第一章绪论
随着社会经济的发展，越来越多的人拥有了自己的私家车，越来越多的汽车涌上了公路，可随之而来的是交通事故也越来越多，不少人也因此谈车色变。作为主动式车辆安全系统之一的车辆防碰撞系统受到国内外汽车研究人员的高度重视，也取得了很多成果。防碰撞系统主要用在追尾碰撞系统、侧防系统、倒车雷达三个方面。其中倒车雷达技术比较成熟，成本也比较低，在世界各地都有广泛的应用。世界多个知名汽车制造商也都有成功的研究与应用，但是价格还比较高，未能在中、低档车中推广，还需要进一步完善、降低成本。
超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同振幅的低频声波，非接触式超声测距传感器正是利用超声波的这种特性而制成的。在空气介质中，超声波测距传感器的性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，而且价格低廉、使用方便。因此，在物位测量、车辆安全行驶辅助系统、机器人自动导航、无人作战平台、地形地貌探测乃至江河水位高度监测等许多领域，超声波测距传感器都得到了广泛的应用。此外，由于超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器、探讨新的超声波信号处理方法，对于推动超声波换能器技术与超声波检测技术的发展，都具有十分重要的现实意义。
1.1 研究背景与课题来源
随着世界各国汽车持有量的不断增加，车辆碰撞事故也随之增多，尤其在城市道路和高速公路上发生的交通事故更是与日俱增。自适应汽车防碰撞技术和汽车主动防碰撞预警系统以及与此相关的测距技术正是在这种背景下提出的，并己经成为当前车辆工程和测控技术领域中关注的一个热点研究课题。
近十年来，欧美大汽车公司资助研制的汽车防碰撞装置，一般倾向于使用毫米波雷达作为车载前视测距传感器。这是因为毫米波雷达能够探测远距离物体，使车载控制器有足够的时间来处理和利用感知信息，以防止车辆发生追尾碰撞或与前方障碍物发生碰撞。然而，更多的碰撞事故是发生在车辆换道、拐弯或倒车的瞬间，而不仅仅局限在车辆向前高速行驶过程中。这就要求汽车主动防碰撞系统具有识别车辆周边物体、提前预报险情或自动保持安全行驶距离的基本功能。由于常见的超声波测距传感器的作用距离太短，只能用于探测近距离(l~5m)目标(如泊车或倒车防撞报警装置中的超声波探头)，而不适合用于探测靠近车辆的周边物体(大于15m)。
为此，国外一些著名的汽车公司正计划在汽车上安装一种近程雷达，它最多可以感知车辆周边20m范围内的8个物体。这种额外获取的路况信息，可用来启动汽车防碰撞系统，实时地估计车辆与周边物体的相对距离和速度，以判定是否存在行车事故危险，并及时地发出警告或采取必要的应急措施，以避免发生车辆碰撞事故或减轻车辆发生碰撞的后果。但是，近程雷达的价格昂贵，限制了它在普通汽车上的推广应用。因此，研制和开发具有高性价比的超声波测距传感器和目标探测系统，必将推动具有全方位探测功能的汽车主动防碰撞系统的发展与普遍应用。同时，这种技术也可以推广应用于无人作战平台或现场机器人的目标自动识别系统。
1.1.1 各类车载测距传感器及其性能
为了便于在后续章节中说明大量程超声波测距系统研究课题的应用价值和意义，首先必须了解当前车载测距传感器技术领域的研究状况与发展趋势。下面，简要介绍常见的车载测距传感器的类型和技术指标，如表1-1所示。
一般来说，单一传感器的感知信息都有一定的局限性。为了提高汽车主动防撞系统对周边物体的识别能力，需要引入多传感器信息融合技术，把分布在不同位置的多个传感器或不同类型传感器所提供的局部观测量加以融合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，以形成对周围环境相对一致的感知描述，从而确保汽车主动防碰撞系统能够可靠地运行。例如，如果将车载前视毫米波雷达、双前视激光雷达、超声波传感器阵列以及CCD摄像机提供的信息进行融合处理，那么，在虚警概率一定的前提下，可以大大提高车载感知系统对移动目标的检测概率。
1.1.2 课题的提出
鉴于目前国内小型化毫米波测距雷达的研制和试验还处于起步阶段，是以开发基于毫米波雷达的国产化汽车主动防撞系统的条件尚未成熟。本课题的主要任务是研制大作用距离超声波传感器和大量程超声测距系统，用于探测距离车辆20m或更大范围内的周边物体，以取代价格昂贵的近程雷达。
表1-1 常用车载测距传感器
超声波换能器的结构、超声波发射电路的机电能量转换效率和超声波接收器的信噪比以及超声波信号处理算法等因素，均对超声波传感器和超声波测距系统的性能产生影响。因此，为了能够研制出频带宽、量程大(20~30m)、指向性好和响应速度高的超声波测距传感器和超声波测距系统，必须从以下四个方面采取措施：其一、优化换能器的机械结构、发射电路和机电阻抗匹配参数，以提高超声波传感器的机电能量转换效率；其二、选择适当形式的压电振子，使其谐振频率尽可能地处于较低的频段上，以减小超声波传播过程中的能量衰减；其三、尽可能增大超声波换
能器的辐射面积，采用恰当的声学阻抗匹配技术和特殊的换能器结构，以增强超声波换能器的指向性、拓展超声波传感器的工作频带；其四、设计低噪声、高阻抗超声波接收电路，并采用先进的数字信号处理方法，以提高超声波测距系统的处理增益和实时性。
解决上述问题涉及到机械、电子、声学和信息技术以及制造工艺等多学科知识的综合应用。因此，超声波测距技术的任何进展，必将推动与之相关的技术和信息化装备系统的进步与发展。
1.2 汽车防撞系统的现状
从上个世纪90年代以来，世界各国投入人量人力、物力从事汽车防撞系统的研究，目前已取得了显著的成果，开发了若干新产品，使汽车的行驶安全性人人提高。
汽车防撞系统是一种能向驾驶员预先发出视听警告信号的探测装置。它安装在汽车上，能探测到接近车身的行人、车辆或周围的障碍物；能向驾驶员及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使驾驶员采取应急措施来应对特殊险情，从而避免损失。
通常，汽车防撞系统由多个传感器、天线、微处理器和数字式信号处理器组成。
传感器能向驾驶员提供车辆前、后、两侧及相邻车道可能发生意外事件的即时信息。它采用固态砷化镓单片微波集成电路，能产生24000MHz 的雷达信号，并采用调频连续波信号形式，这种信号形式不需要相对运动便可探测到目标。同时，车上安装的每个传感器均能全天候工作，并均配置对应的目标指示信号灯和蜂鸣器。
这些传感器的电源来自控制显示装置。该装置一般位于汽车仪表板附近，包括主电源开关和每个传感器的促动开关。各车载传感器依据探测到的目标状况向驾驶员发出视听警告信号，即传感器一旦探测到人员或物体，黄色信号灯即开始频闪，同时蜂鸣器发出蜂鸣声报警。灯光和声响的循环周期与车辆、人员及物体靠近车身的距离成比例。
微处理器对传感器的未处理回波信号进行整理和综合，并优化对入射信号检测的灵敏度和识别过程，指示灯和蜂鸣器根据其发送的指令向驾驶员提供指示。
数字信号处理器具有控制、自校准、输出和故障自诊断功能。美国德尔科电子公司开发了多种汽车防撞装置可供实际使用。在演示现场，德尔科电子公司的科技人员将前传感器安装在距离地面0.85m，车首大灯的两侧，它能扫描车辆前进路线上即将遇到的障碍物，其前方有效探测距离为28m，。前传感器的窄波束能区别位于同一车道上的车辆和物体与相邻车道上或道路旁的车辆和物体，以避免虚假报警。该公司的科技人员将侧传感器安装在后视镜和侧视镜难以观察到的盲区，其探
测距离为4m，。科技人员还把后传感器安装在演示车后部两边，其探测距离达7m。这样，随着车辆一路行驶，实际上形成了一个车身外横宽8m、纵长35m，的安全区域，并且是动态的安全区域，故有利于驾驶员进行事先防范，对于在大雾等能见度低的条件下行车更显神通。
汽车防撞系统适用于各种车辆，优先用于救护车、公交车、旅游车、抢险车、公务用车及出租车等。国外现已将汽车防撞系统用于学生接送专车，以保护其在行驶途中及驻车时的安全。
凡使用过汽车防撞系统的驾驶员均有这样的感觉，即能够方便地知道或观察到以往难以发现的盲区中的物体，做到心中有数，并能及时防范，从而能集中精力，以更多的时间和注意力注意来往车辆，并采取有效的安全防撞措施。
汽车防撞系统是高科技的产物，它将伴随微电子、光纤、红外技术的进步而得到新的发展。汽车防撞系统未来的发展方向为：
·为满足高速行驶，进一步增大探测距离；
·降低成本和售价，供在用车改装和新车安装使用；
·与自动驾驶仪形成反馈系统，按时间响应，排除人为影响，正确保持车距或做出机动避让；
·向智能化方向进一步拓展。
1.3超声波测距系统
采用超声波传感器进行距离测量的方法很多，而应用最多的是Pellam和Galt 于1946年提出的脉冲回波法，其工作原理是：用超声频脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段ToF(称为射程时间)，然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d，即
d=1
2
c ToF
?
1
2
c ToF
?（1-1）
式中，c为空气介质中声波的传播速度。
由式（l-1）可知，当传播介质的温度发生变化时，声的传播速度。也随之改变。因此，在超声波测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度，以补偿环境温度变化对测距精度的影响。
为了改善超声波测距系统的性能，仅仅从系统的硬件入手是不够的，还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。为此，国、内外学者研究了许多特殊的超声波测距方法或时延估计算法，如可变阈值鉴幅法、互相关函数法、谱线分析法、相位检测法和自适应时延估计法等等。在实际的超声波测距仪中，经常综合应用了多种测量算法。当然，这些算法与超声波换能器的声学及电气特性是密切相关的。
下面，简要地评述这些信号处理算法的特点与应用范围。
1.3.1可变阈值与回波包络检波法
最简单的“过零”检测法，其工作过程如下：
①在控制器启动时钟计数器的同时，向外发出持续时间固定的超声频脉冲信号，换能器在该信号的激励下向外界发送超声波。
②如果在换能器的前方存在目标，则必有反射回来的超声波作用在换能器上，使之产生微弱的电信号，该信号经接收电路放大后，大于预先设定的门槛电压(或称为阈值)，使比较器的输出信号变为高电平。
③该高电平信号使计数器终止计数，并使能与门，使微机可以在并行输入口上查询到终止计数信号，并读出时钟寄存器中的数值(即ToF)。
④根据式（1-1）计算出目标与换能器之间的距离。顺便指出，换能器发送声波的持续时间的一半与声速的乘积，即为超声波测距仪的盲区。
由于回波信号的幅值与目标的距离成反比，目标与换能器之间的距离愈远，超声波接收电路的输出就愈小，相应的射程时间也就愈长。因而，在超声波测距系统中，通常不采用固定阈值或增益的接收电路，而是采用时间-阈值可变或时间-增益可变的接收电路。前者使阈值随射程时间的延长呈指数形式递减，后者使接收电路的放大倍数随射程时间的延长呈指数形式递增。这样，只要适当调整指数函数的时间常数，就能保证在规定的量程范围内准确地测出目标的距离。
1.3.2 基于互相关函数的时延估计法
在低信噪比和低采样速率下进行超声波测距，通常采用基于互相关函数的时延估计法。其具体方法是：将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器接收到的回波信号，根据相关峰值出现的时刻就可以计算出射程时间。相关估计法(也称为匹配检测器)既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么，相关估计法的时延估计精度和灵敏度均高于阈值检测法。
1.3.3 谱线分析法与自适应时延估计
谱线分析法是利用快速傅立叶变换(FFT)对回波信号进行谱分析，以确定是否存在与换能器所发送的超声波具有相同频谱的回波信号，并由此来判定回波信号的出现时刻。在信噪比极低的条件下，采用谱分析算法来检测回波信号有助于降低虚警
概率。但谱分析算法的计算量大，且不容易获得较高的时延估计精度，故气介中的超声波测距很少应用这种算法。
1.4超声波测距与定位技术的发展概况
超声波测距与定位技术是声学与仪器科学交叉融合而形成的边缘技术学科，它主要研究如何利用超声波测距传感器来实现三维空间目标的定位问题。由超声波换能器、超声波发射与接收电路、微计算机信息处理器等构成的超声波测距与定位系统，在工业、交通、国防等各个领域中得到了广泛的应用。
文献]5[是作者在美国奥克兰大学参加研制汽车防碰撞系统期间发表的论文。在这些车载安全行驶辅助系统中，超声波探头主要用于感知车辆前、后、左、右的路况，以防止车辆转向或换道时发生意外的碰撞事故。文献]7[分别是国内一些大学和研究机构研制的车载超声测距仪，其中，前视超声测距仪的探测范围小于10m，而后视和周边探视超声测距仪的探测距离最大不超过5m，这与前面提及的国外新型近程扫描雷达的探测范围(车辆周边20m以内)相差甚远。由此可见，研发大作用距离超声波传感器是十分必要的，对未来国产化汽车防撞预警系统的开发进程必将起到积极的推动作用。
在现代快速施工中，特别是野战工事快速构筑作业，以往是依靠人工来控制机械手上的喷嘴与作业面之间的距离及喷射方向，这是一项既颇费体力又难以精确控制距离与方位的操作。如何实现喷射机械手的智能化使其处于最佳的工作状态，也即如何应用高性能超声波传感器和喷射机械手来构成自动定位与控制系统，仍然是一个函待解决的国际难题。
附带指出，在超声波技术领域中，也存在一些挑战性很强的前沿探索性课题。譬如，能否使用两束频率稍有差异的强超声波，利用其非线性效应，使之产生频率很低的差频信号与超声波一起传播，以得到指向性很强且衰减很慢的差频信号，这仍然有待于进行深入的理论探索与实验验证。
1.5主要研究工作及内容
第一章介绍近十年来汽车主动防碰撞系统、车载测距传感器的发展现状，简要介绍了超声波测距与定位技术在汽车防撞预警系统中的应用，并指出了声学理论与技术领域中的一些前沿课题。最后，简要介绍了论文中各个章节的主要内容。
第二章研究超声波换能器的物理特性与技术。研究设计了超声波发射电路的设计，主要包括推挽变换器的工作原理，以及推挽变换器的转换效率；超声波接收
电路的设计，包括低噪声前端放大器，以及滤波放大电路与电源。
第三章对超声波测距算法进行了分析，重点研究超声波测距方法和大量程超声波测距系统的实现技术。提出了基于PC机的超声波测距系统试验平台，以及超声波测距的信号处理算法。
第四章鉴于之前对超声波发射与接收电路的设计、对超声波测距系统的研究以及超声波测距算法的分析，设计出由超声波测距系统组成的汽车防撞系统。设计包括系统硬件（系统硬件总体框图、超声波发射部分、超声波接收部分、单片机控制部分），系统软件，并对设计出的系统进行调试与优化。
第二章 超声波发射与接收电路
2.1 大作用距离超声波换能器
换能器的谐振频率、辐射面积、振子结构、声窗匹配层和背衬材料乃至制作工艺，都直接影响了超声波换能器的作用距离、指向性和频带宽度。为了解决上述问题，本章对超声波的物理特性、换能器的振动模式、结构、制作工艺和声学阻抗匹配以及机电阻抗匹配等技术专题，展开全面而深入的理论与实验研究。
2.1.1 超声波物理特性与换能器技术指标
超声波换能器技术的研究内容是：综合考虑与换能器和介质相关的声学阻抗、声学结构、工程材料和振动模式等物理特性，应用阻抗匹配技术使之达到电能与声能之间的最佳转换，以满足工程实用需求。
现将声波的物理特性和超声换能器的主要性能指标介绍如下。
1． 超声波的主要物理特性
超声波和一切波动一样，具有频率f 、传播速度c 与波长λ三个物理量，三者关系为
c f λ=? （2-1） 在不同的介质中，声速是不一样的。超声波的频率范围在413210~10Hz ?之间，与声波相比，超声波具有如下显著的物理特性：
(1) 束射特性 超声波传播具有方向性和射线性。在相同的辐射条件下，换能器的工作频率越高，其方向性越强。
声源发出的超声波，在一定方向上形成如图2-1所示的波束。在离声源较近的一段，波束几乎平行，称为近场区。在该区内声场分布较为复杂，其长度范围：
2r f L c
?<< （2-2） 其中，L 为近场长度，r 换能器辐射面的半径。在远离声源区，波束向四周稍有扩散，扩散声束与平行波束之间形成β角，称为半扩散角。β角越小，能量越集中，方向性越强。
图2-1 超声波声源近场的方向性
(2) 射线特性超声波在直线传播过程中，当遇到两种声阻抗率不同的物质所形成的界面时，就会产生反射和折射(透射)现象。超声波的反射和折射遵循几何光学规律。两种交界面介质的声阻抗率差别愈大，反射愈强，透入第二种介质的声能就愈小。在层状的两个平行反射界面中，声波可以来回反射多次，直至能量减弱至零为止。
2．超声波换能器的主要性能指标
对于超声波换能器，除了要确定其谐振频率和频响特性外，更重要的是要了解它的电一声转换特性和声辐射特性。换能器的主要性能指标如下：
(1)工作频率f：工作频率大多选取在换能器的机械共振频率附近，因而，换能器的工作频率一般是指换能器的机械共振频率。
(2)机电耦合系数K：机电耦合系数K是表示压电换能器的机械能与电能之间耦合关系的一个重要参数。因为压电振子的机械能与振子的形状、振动模式有关，所以振动模式不同，机电耦合系数也不同。
(3)换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端都具有一定的特性阻抗。因此，要求换能器与发射电路末级(或接收电路初级)的阻抗相匹配。此外，根据超声波的射线特性，还要求换能器与辐射声负载(或接收声负载)相匹配。如何实现机电阻抗匹配和声学阻抗匹配技术，是研制超声波换能器必须解决的关键问题之一。
(4)换能器的频率特性：换能器的频率特性是换能器的主要参数之一，它是指阻抗、声压和灵敏度等随频率变化的特性。在实际应用中，通常希望超声波发射器在一定的频带内获得平坦的阻抗特性，以适应负载的变化，避免阻抗失配而导致电路发热、能量转换效率降低甚至损坏设备。宽频带超声波接收器能够接收窄脉冲信号或余振时间短的波动信号，因而在声轴方向上具有极高的位移分辨力。
超声波换能器是用来实现电能与声能相互转换的装置。通常，超声波换能器的机电能量转换效率低，严重影响了超声波换能器的作用距离。为了解决这一问题，仅仅考虑改善换能器的机械结构与声学特性是不够的，还必须优化换能器的发射电路和接收电路的设计，以提高超声波发生器的有效发射功率和超声波接收器的信噪比。
2.2 超声波发射电路的设计
超声波发生器是由超声波发射电路和超声波换能器构成的。超声波发射电路(也称为驱动电源)根据其工作原理可以分为振荡一放大型和逆变型两类。对于中、小功率且频率不是很高的超声波换能器，一般均采用振荡一放大型驱动电源，如图2-2所示。本设计方案是采用它激式振荡器，以便于在较宽的频率范围内调节换能器的工作频率。下面分别介绍驱动电源的各个组成部分。
图2-2 振荡-放大型驱动电源
2.2.1 推挽变换器的工作原理
图2-3是一种采用较多的超声波发生器驱动电源，其功率放大级是由MOS 管推挽变换器构成的。推挽变换器采用带有中心抽头的脉冲变压器作为输出级，以提高驱动电路的输出电压幅度，进而增大换能器的发射功率。该电路的特点是无激励信号时(选通信号为低电平)，两个MOS 功率管工RF520的静态电流为零；有信号激励时，两个MOS 管交替工作，各输出半波信号，合起来形成一个完整的波形。
在电路中，SN75732集成芯片是双通道TTL/MOS 接口电路(双与非门)，用于实现电平转换，以便于控制MOS 管的漏极电流D I ；S R 是限流电阻，用于限制MOS 管的最大漏极电流与，以避免MOS 管受到过大的瞬间电流冲击；RC X 是由电容和电阻构成的支路，用于禁止直流电压通过，以防止MOS 管始终处于导通状态，同时与电阻G R 构成分压电路，以确定MOS 管栅-漏极电压GS V 的大小和MOS 管方波输出信号的占空比系数max D ；凡是外接的偏流电阻，其值取100~ 200k Ω为宜。
图2-3 超声波换能器发射电路
2.2.2 推挽变换器的转换效率
现在，仍以未加阻抗匹配的换能器为例，推导计算变换器能量转换效率的表达式。对于图2-3所示的电路，可以认为：在输入信号的一个周期T 内，和各导通max D ?T/2(max D 为变换器输入信号的占空比)，且通过两MOS 管的电流几和功率管两端的电压DS V 在数值上分别相等。因此，只需先计算单管的功耗再乘以2就可以求出总的管耗。当MOS 管的输入信号近似为方波，并且MOS 管的漏极电流达到最大值与时，总的管耗为
max /2max 02TD opt om DBS Q D DSB L
D N V V P I V dt T R ==? （2-3） 式中，T 为输入方波信号的周期。直流电源供给的功率应包括负载得到的功率和两MOS 管的功耗以及限流电阻上的功耗，即
2/2/V Q D S OM P P I R P η=++ （2-4）
式中，η为变压器的效率。
利用式（2-3）和（2-4）以及OM opt DP V N V =?(DP V 表示变压器初级绕组上的电压，DP DD DSB D S V V V I R =--?)，即可求出方波输入时变换器电路的效率为
max 82%12(//)OM sqr V
S LP DSB DP P P R R D V V ηη∏==≈++? （2-5） 式中，0.95η≈，max 0.44D =，2/LP L opt R R N =，表示换能器负载折合到变压器
初级的等效电阻。从电能利用率的角度来看，如果/S LP R R ，/DSB DP V V (二者均与变
比有关)和输入信号的占空比系数
D越小，且变压器效率η越高，则推挽变换器
max
的效率就越高，这个结论与式（2-5）所蕴涵的物理意义是一致的。此外，在经典的电子电路设计教科书中，通常认为乙类放大器(推挽放大器)的效率为70~80%，与式（2-5）计算的结果大致一致。因此，本文推导的推挽变换器的转化效率公式是正确的。
2.3 超声波接收电路的设计
超声波接收器是由超声波换能器和接收电路构成的。为了实现大范围超声波测距，不仅要求超声波接收电路能够放大远处目标反射回来的微弱信号，而且还希望近距离目标反射回来的强信号经放大后又不至于发生变形或饱和，这就要求接收电路具有自动增益控制(AGC)功能。此外，在接收电路中增加AGC功能，有助于克服“混响”现象，提高超声波测距系统的信噪比。为此，文中根据超声波信号幅度随时间变化的衰减特性，利用自动增益控制原理来实现时间-增益控制(TGC)，使超声波接收电路具有很高的增益而又不出现深度饱和现象。此外，本节还设计了低噪声放大电路和带通滤波器，大大提高了接收电路的信噪比。
2.3.1 低噪声前端放大器
将超声波换能器正对着2.5m处的墙壁(目标)发射超声波，用示波器直接观察换能器的输出信号，其电压幅值为1V。随着目标距离的逐渐增大，回波信号的幅值急剧降低。若希望超声波传感器的测距范围为2~35m，则要求超声波接收电路必须具有足够大的增益，才能敏感极其微弱的回波信号，同时，又要求近距离目标所产生的回波信号经放大后不会出现深度饱和现象。因此，前端放大器的增益G不能取得太大。
图2-4 低噪声前端放大器电路
图2-4是超声波接收器的前端放大电路。其中，前端放大器是由AD620型仪表运算放大器和阻容网络构成的。AD620具有低功耗、宽频带、高精度和高可靠性等优点，其增益仅由电阻G R 决定的，使用1%的精密电阻，它就能提供精确的增益G 。如果G=1，则G R 引脚不连接电阻元件(即G R =∞)；而对于其它的任何增益，可按下式确定电阻值：
G R =49.41
G (k Ω) （2-6） 当G ≈6，则G R =10 k Ω
2.3.2 滤波放大电路与电源
图2-5 信号放大与带通滤波电路
图2~5是用高阻抗运算放大器(TL084)和RC 阻容元件构成的同向、反向放大器和有源带通滤波器。在此，重点讨论滤波器设计问题。有源带通滤波器的传递函数为
22(/)()()(/)c f c c
j Q A A j j Q ωωωωωωω=-++ （2-7） 式中，c ω为带通滤波器的中心角频率，2c c f ωπ=?（c f 为换能器的工作频率，c f =24.5kHz)Q 为品质因素，Q=3；A 为滤波器的增益，A=2。滤波器的参数满足如下关系：
121112
1212212,1c f c f c C C Q R C R Q A C C R R R C C R R ωωω==+?=+ （2-8）
将已知数值代入上式，计算得：12680C C pF ==， 115R k =Ω， 2 1.8R k =Ω，56f R k =Ω最后，通过调节电位器来改变末级放大器的增益，使接收电路的输出幅值满足数据采集电路板的输入要求即可。
第三章超声波测距系统
在超声波测距系统中，测距算法性能的优劣，直接影响了测距系统的性能；而测距算法的运算速度，则直接影响了测距系统的实时性。从信息论的角度来看，超声波测距过程实际上是超声波的传递过程，因此，可以利用通讯技术的基本方法，来增强超声波测距系统的抗干扰能力、提高超声波测距系统的实时性，以实现对高速移动目标的测量或定位。
3.1 超声波测距算法分析
应用超声波脉冲回波法的测距过程是：用持续时间一定的超声频高压电脉冲信号激励换能器，使之向外部介质发送一串超声波，当超声波在换能器的声轴上遇到一个或多个目标时，部分声能将被反射回来并作用在换能器上，使换能器输出微弱的电信号。该信号经过放大滤波后，送入微处理机系统进行信息处理，以判定回波信号出现的时刻，并计算出超声波的射程时间及其对应的目标距离，从而完成了一个测距周期。如何改善超声波测距系统的抗干扰性能和实时性，是研究超声波信号处理算法时必须考虑的关键性技术问题。
3.1.1 问题分析
超声波在传播过程中不仅受到传播介质的影响，而且它的信噪比也将因振动、空气湍流和声能的吸收衰减等外界因素的影响而改变。实验表明，在超声波测距过程中，当发射信号与接收信号的能量均比较大时，传统的阈值检测法是行之有效的。而当目标距离传感器较远时，回波信号受到外界因素的干扰较大，这时测距系统就难以直接判定换能器的输出信号是回波还是噪声，传统的闭值检测法就失效了。幸运的是，回波信号与发射信号的包络基本一致，因而，借助于计算二者的互相关函数，找出其峰值出现的时刻，即可确定超声波的时间射程(Time of Flight，ToF )。在第一章介绍的许多信号处理算法中，包络相关函数法是既适合于处理微弱信号，又适合于采用低采样速率的鲁棒算法。
为了提高超声波测距算法的可靠性，可借助于一个经过适当选择的伪随机二进制序列作为编码信号(简称伪随机码，或PN码)，将基带脉冲信号调制成为超声频编码信号，用以激励换能器，使之向外界发送超声波编码信号。在大多数情况下，外部干扰信号与所发送的编码信号是不相关的。因此，通过计算该编码信号与回波信号的包络相关函数，就可以把混在回波信号中的外部干扰信号消除或减小到最低程度，从而实现对信噪比为负分贝的微弱信号检测。显然，伪随机序列的长度越长，包络相关函数的峰值就越大，测距系统的处理增益也就越高，但测距系统的盲区也
将随之增大。故而，应当根据实际测量需求，选用恰当长度的伪随机序列。
图3-1表示基于包络相关法超声波测距系统的原理框图。
为了从理论上证明借助于通讯技术来提高超声波测距系统的处理增益是可行的，有必要研究调制解调器与包络相关算法的输出信噪比。
目标
图3-1 基于PN 码的包络相关法的超声波测距原理
3.2 超声波测距系统的实现
超声波测距实验系统是由PC 机、数据采集与控制板卡和超声波换能器及其发射/接收电路构成的，如图3-2所示。利用该系统，进行了适合于低采样速率的超声波测距实验。实验表明，本文提出测距算法完全能够采用普通的单片机系统来实现，以构成具有高性价比的大量程超声波测距仪。
图3-2 基于PC 机的超声波测距系统实验平台
3.2.1单脉冲数字相关测距
在图3-2所示的系统中，有用的信息是超声波收、发信号的包络。由于换能器的频响特性对包络信号的频谱有一定的影响，但不是很大。根据香农采样定理，只要采样速率高于换能器通带信号的2倍，就可以恢复出原信号的包络。对于非组合换能器而言，其频带宽度约为4kHz ，采样频率应高于8kHz ；对于组合式换能器，其发射频带为 4kHz ，而接收频带为7kHz ，采样频率应高于14kHz 。当然，采样频率越高，时间轴的分辨力越高，测距精度也随之提高，但数据处理量也相应地增大了。因此，必须根据实际需要，采用适当的采样速率。
图3-3 超声波测距算法
在PC 机中，信号处理算法如图3-3所示。图中，r(t)是经放大和带通滤波后的回波信号，r(n)是计算机采样信号，Tr(n)是发送信号的包络函数。为了获得与同步解调系统一样的处理增益，回波信号经采样、平方后，还应当通过一个二阶数字低通滤波器。滤波器的输出(回波包络的平方) s(n)为：
222()()2(1)(2)s n r n r n r n =+?+++ （3-1）
这里，低通数字滤波器是用于消除由平方算法所产生的位于半采样频率附近的谱成分。发送信号的包络与回波信号的平方包络之间的互相关函数r C (用卷积公式计算)为：
1
0,1,,10()()()M r n N m y n T m s n N M m -=???-==?-+-∑ （3-2）
式中，N 是采样序列s(n)的长度，M 是发送信号包络序列的长度。
r(t)
r(n) s(n) y(n)
制动系统匹配设计计算 根据AA车型整车开发计划，AA车型制动系统在参考BB轿车底盘制造平台的基础上进行逆向开发设计，管路重新设计。本计算是以选配C发动机为基础。 AA车型的行车制动系统采用液压制动系统。前、后制动器分别为前通风盘式制动器和实心盘式制动器，制动踏板为吊挂式踏板，带真空助力器，制动管路为双回路对角线(X型)布置，采用ABS。驻车制动系统为机械式手动后盘式制动，采用远距离棘轮拉索操纵机构。因AA车型与参考样车BB的整车参数接近，制动系统采用了BB样车制动系统，因此，计算的目的在于校核前/后制动力、最大制动距离、制动踏板力、驻车制动手柄力及驻坡极限倾角。 设计要符合GB 12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》；GB 13594-2003《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》和GB 7258-2004《机动车运行安全技术条件》的要求，其中的踏板力要求≤500N，驻车制动停驻角度为20％（12），驻车制动操纵手柄力≤400N。 制动系统设计的输入条件 整车基本参数见表1，零部件主要参数见表2。 表1 整车基本参数
表2 零部件主要参数制动系统设计计算 1.地面对前、后车轮的法向反作用力 地面对前、后车轮的法向反作用力如图1所示。 图1 制动工况受力简图由图1，对后轮接地点取力矩得:
式中：FZ1（N）：地面对前轮的法向反作用力；G（N）：汽车重力；b（m）：汽车质心至后轴中心线的水平距离；m（kg）：汽车质量；hg（m）：汽车质心高度；L（m）：轴距；（m/s2）：汽车减速度。 对前轮接地点取力矩，得： 式中：FZ2（N）：地面对后轮的法向反作用力；a（m）：汽车质心至前轴中心线的距离。 2.理想前后制动力分配 在附着系数为ψ的路面上，前、后车轮同步抱死的条件是：前、后轮制动器制动力之和等于汽车的地面附着力；并且前、后轮制动器制动力Fm1、Fm2分别等于各自的附着力，即：
随着汽车数量日益增多， 车速愈来愈高，汽车交通事故 也随之增多。汽车相撞、撞人、 撞障碍物、翻车、冲出公路等 事故时有发生。尤其高速公路 上一旦出现撞车，就会造成多 车相撞。分析撞车原因，大致有：驾驶不慎，能见度不高，车速过快，车距过小或汽车本身故障等。 从1997年开始，很多奔驰车型上安装了一种新的安全驾驶系统，即车距监控防撞系统（图1），该系统减小了驾驶员长时间驾车的劳动强度，同时提高了驾驶的安全性能。 车距监控防撞系统是一个智能型升级版的自动定速巡航系统，当驾驶者驾驶车辆处在定速巡航状态下时，该系统起作用，与前面的车子保持一定的距离,让驾驶更安全，应注意该系统与驻车防撞系统有相似，但又不同，驻车防撞系统可以在车辆停车和倒车时检测车辆前、后、侧面的障碍物距离，在靠近障碍物时 会发出声音警报。本节主要介绍车距监控 防撞系统。 1. 系统作用 车头有测距雷达，我们可以俗称其为 “电眼”，不断监测与前车的距离，根据 自身的车速、两车的距离、角度，及小（窄）路等情况，决定车辆速度，保持车头部距离。当前面的车子急刹，你就算反应不过来，“车距监控防撞系统”会立即通过电脑计算出合适的刹车力度和刹车距离，在与前车相撞之前自动刹停。
2. 系统组成 雷达传感器、DTR监控电脑、指示灯等组成。 3. 元件位置 系统工作指示灯安装在仪表内， 见图1。 雷达传感器一般安装在散热器 上，具体位置如图2。 DTR电脑一般安装在防火墙正 前或靠左侧，如图3。 4. 系统工作原理 主要通过雷达传感器侦测前方障碍物距离车头的远近，当发现障碍物已达到可测范围（距离），则危险距离警告灯会依障碍物的实际距离亮起，当距离过近时，有些车型警告喇叭会“嘀嘀”响起，以警告驾驶者注意前方障碍物已经接近车体，同时DTR电脑会通过车身电脑网络CAN-BAS与发动机电脑、变速器电脑及ESP 、ABS刹车系统电脑通讯，通过限制发动机输出转速，调节刹车作用力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速。若前方无障碍物（100米为限）则警告灯会熄灭，车子便会加速至预设的巡航速度。 5. DTR系统的维修： 该系统元件较少，目前故障率较低。如果系统故障，要通过仪器调取其故障码，故障一般出现在传感器或电脑，当出现传感器故障码时，可测量传感器的电源搭铁是否正常，DTR 电脑提供给传感器的电源为20～24V，如果电源搭铁正常则传感器损坏。
附录 Automobile Brake System The braking system is the most important system in cars. If the brakes fail, the result can be disastrous. Brakes are actually energy conversion devices, which convert the kinetic energy (momentum) of the vehicle into thermal energy (heat).When stepping on the brakes, the driver commands a stopping force ten times as powerful as the force that puts the car in motion. The braking system can exert thousands of pounds of pressure on each of the four brakes. Two complete independent braking systems are used on the car. They are the service brake and the parking brake. The service brake acts to slow, stop, or hold the vehicle during normal driving. They are foot-operated by the driver depressing and releasing the brake pedal. The primary purpose of the brake is to hold the vehicle stationary while it is unattended. The parking brake is mechanically operated by when a separate parking brake foot pedal or hand lever is set. The brake system is composed of the following basic component s: the “master cylinder” which is located under the hood, and is directly connected to the brake pedal, converts driver foot’s mechanical pressure into hydraulic pressure. Steel “brake lines” and flexible “brake hoses” connect the master cylinder to the “slave cylinders” located at each wheel. Brake fluid, specially designed to work in extreme conditions, fills the system.
此外，汽车倒车时司机不能观察车后情况，也往往造成撞人或撞上障碍物。分析撞车原因，大致有：驾驶不慎，能见度不高，车速过快，车距过小或汽车本身故障等。 针对上述问题, 我们设计一个基于超声波技术的汽车防撞系统能以声音和直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、起动车辆、行使等前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊（能见度低）的缺陷，提高了安全性。 本制作是基于AT89S52单片机控制的超声波技术的汽车防撞系统小车模型，通过单片机控制超声波换能器的发射与接收，利用计算收发时间差算出四周各障碍物具体距离加以显示及自动控制小车减速或停车功能，快速准确地实现自动测量显示与智能控制。超声波对外界光线和电磁场不敏感，可以用于黑暗、有灰尘、烟雾、强电磁干扰等参杂环境中，使得系统抗干扰能力、测量精度能力增强。我国是交通大国，交通驾驶安全事故频频发生，此防撞控制系统的研究将有利于交通驾驶智能控制的发展，可以使得交通事故大幅度下降。 该系统由单片机控制，体积小巧，安装灵活方便，具有一定的应用前景。 1 总体方案设计 1.1传感器的选择 智能测距主要有红外收发测距、超声波测距。 红外收发测距是利用红外线的发射与接收进行测量。其特点是外围电路简便。但是存在受外界干扰大，测量距离范围小等不足。 超声波测距是利用超声波传感器进行发射接收。超声波传感器的外围电路设计较复杂，但其干扰能力强，不受空间电磁波干扰，也不受一般机械振动的干扰，穿透性好，可在浓雾、风沙、阴雨、污染环境中工作，适合大型车辆的行驶测距。
得出距离值。那么测量最大值就是以一个周期为时间差的距离值。一般公式为: d=v×t/2最大值为： dmax＝v×T/2（T为周期） 假设室温下声波在空气中的传播速度是 335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是 t 秒，则距离 D可以由下列公式计算： D=33550(cm/s)×t(s) 因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离d应该是 D/2。 如图2所示为超声波收发电路示意图。 图2 超声波收发原理框图 40KHz的方波信号由单片机的T1周期性产生，经过驱动电路推挽超声波发射头向外发出。由于在外界中存在很多的干扰，接收回来的微弱信号的波形将类似正弦波，但含有很多的杂波。我们必须报这个接收回来点波送进带通滤波器，还原出较好的波形，然后进行放大，再送进电压比较器得到较好的方波，进入单片机进行中断。单片机中断后，计算出发射到接收的时间。软件设计
汽车智能防撞系统的研究 摘要：本文综述世界智能车辆技术在自动防撞方面的应用现状，结合我国高速公路、驾驶习惯及现有传感器的技术状况，分析探究适合中国高速公路及现实国情的汽车智能防撞装置。根据所要实现的基本功能，对比当前采用的四种常用测距方法，最终选用红外激光测距原理，建立了系统方案。汽车红外激光智能防撞装置是一种主动式防撞系统，它能使反应时间、距离、速度三个方面都能得到良好的优化控制，可以有效地避免汽车追尾碰撞事故的发生，该系统在汽车领域的应用与其所能带来的经济效益和社会效益将会是相当可观的。 关键词：智能防撞激光测距雷达测距单片机语音报警 1 前言 1.1课题研究的价值和意义 随着我国改革开放的不断深入和社会主义经济的不断发展，人们的物质生活日益提高，汽车己经进入千家万户，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势;与此同时，也带来了一个不可避免的问题:交通事故逐年上升。 2004年，全国公安机关交通管理部门共受理道路交通事故51.8万起，造成107077人死亡，比2003年增加2705人，上升2.6%;直接财产损失23.9亿元。在各类事故形态中，机动车碰撞事故占绝大多数。2004年，全国共发生机动车碰撞事故400389起，造成77081人死亡、375620人受伤，分别占总数的77.3%、72%和78.1%。其中，正面相撞事故123577起，造成31715人死亡、128447人受伤，分别占总数的23.9%、29.6%和26.7%;侧面相撞事故196798起，造成29900人死亡、186683人受伤，分别占总数的38%、27.9%和38.8%;追尾相撞事故80014起，造成15466人死亡、60490人受伤，分别占总数的15.5%、14.4%和12.6%。从以上数据，足以说明公路交通安全已是我国面临的重大问题。 我国的高速公路起步随晚，但发展较快。据统计，高速公路每百公里事故率为普通公路的4倍多。高速公路的事故类型，大多数为车辆的追尾碰撞事故，这是由高速公路的特点所决定的。高速公路具有汽车专用、分割行驶、控制出入、全部立交、限制车速以及高标准、设施完备等特点。高速公路由于排除了行人、非机动车的干扰，从而保证车辆可以高速行驶，而具有路面宽阔、标示醒目、标线分明、全线封闭等特点。保证了高速公路具有行车速度快、交通流量大的优点。我国，一般公路平均时速为40~50Km/h，而高速公路平均时速可达80Km/h以上。高速公路车辆速度快、干扰小的特点也促使其发生的事故性质比较严重，一旦发生事故，多数是恶性的交通事故。分析高速公路交通事故的类型和原因，发现超速行驶、恶劣天气时很容易发生制动测滑、甩尾或行车视距不足而导致的追尾碰撞事故。死亡事故中65%以上是追尾相撞造成的。由此可见，如何提高汽车行驶安全性，减少交通事故及其损失，己经刻不容缓的摆在研究人员的面前。 据有关部门对交通事故的统计分析，发现在司机—汽车—环境三要素中，司机是可靠性最差的一个环节，80%以上的事故是由于司机反映不及时或判断失误引起。计算表明，司机反映迟缓1秒，速度为80Km/h的汽车要前进约22.2米，由此可能产生不堪设想的后果。若在夜间或雨、雪、雾等恶劣天气条件下，汽车在中、高速行驶时，很难及时发现前方障碍物并采取必要应急措施。统计表明，在发生撞车的事故中，45%是司机没有看清楚前面车辆所处的位置，30%是发现前方车辆但为时己晚，特别在汽车高速行驶的情况下，前方目标正确识别与否至关重要。根据汽车驾驶自动化和智能化的发展趋势，汽车防撞系统的研制有着重要的意义。 1.2研究的现状
第三章汽车主动防撞系统的总体工程 3.1 各种汽车防撞系统的比较 对于车辆安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息，当本车以较高的速度接近前方车辆时，如果两车之间的距离太近，很容易造成追尾事故。因此，常用的防装系统都将车辆之间的相对距离最为最主要检测任务。 汽车雷达按照其探测方向的不同，主要分为倒车雷达和前视雷达两种，汽车倒车雷达由于探测距离较短，一般运用超声波或红外探测两种方式构成，该项技术已经比较成熟，国内外已经有相应的产品。而相比较来说，在高速公路中由于车速快，要求防撞雷达探测距离要长，故高速公路的防撞系统要求较高。而且在恶劣天气情况下，如雨，雪，雾等天气，以及前方车辆尾部卷起的气沫灰尘所造成视野不良等情况时，防撞预警系统应向驾驶人员提供前方车辆和障碍物的距离，相对速度等信息；在危险临近的情况下，通过警报系统发出声光警报，在极度危险的情况下可以采取转向和制动措施，从而避免碰撞，追尾等事故的发生。 目前的高速公路防撞系统按工作方式分主要有激光，超声波，红外等一些测量方法，不同的方式工作过程和工作原理上有不同之处，但它们主要作用都是通过不同的测量方法判断前方车辆与本车辆的相对距离，并根据两车之间的危险性程度做出相应的预防措施。为了更好的了解各种系统的工作原理，下面对不同的探测方式进行详细的介绍。 2.4激光测距 激光测距仪是一种光子雷达系统，它具有测量时间短，量程大，精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可以分为非成像式激光雷达和成像式雷达。 非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。激光束在传播路上遇到前车发生反射。测量从发射时刻到反射回到发射点经过的时间t，便可以计算出车距。其计算公式同超声波测距共识，不同的是速度v为光速，v=3×108m/s。 从高功率窄脉冲激光器发射出来的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或者其他目标上，其反射光经扫描镜，接受物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计算器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接受脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。 成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描激光成像雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制出射激光的方向，通过对整个现场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标目标的三维信息。但扫描成像激光雷达普遍纯在成像速度过慢的问题。这有待于软件，硬件的进一步改善。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出。照射待测区域。被测物体表面散射的光经微通道图像增强板（MCP）混频输出后，由面阵CCD等二维成像器接收，CCD每个像元的输出信号提供了相应成像区的距离信息。利用信息融合技术即可重建三维图像。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了三维成像速度。 在汽车测距系统中，非成像激光雷达更具有使用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低，速度快，稳定性高等特点。 由于激光雷达测距仪工作环境处于高速运动的车体重，震动大，对其稳定性，可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电，低价，对人眼安全等因素。这些决定了其光源只能采用半导体激光器。已处于使用阶段的激光雷达所需要的光学元件在市场上有售，价格比较高。目前，在汽车
An AT89C2051 Based Intelligent Proxim ityWarning Indicator for Automobile It introduces the function and characteristicsofm icrocontrollerAT89C2051 Based on it. A low cost high-accuracy microm iniaturization and digital display proxim ity warning indicator for automobile is designed. The indicatormeasures the distance and speed of the automobile, with ultrasonicwave and integrated Hall unit and controls the system by the real-time control and Data-processing of the microcontroller Moreover. its circuitry principle is introduced in detail as well as its software design. Along with modern rhythm of life speeding up, the frequency which the traffic accident occurred is increasing, for enhances the security of automobile movement. This article introduced one kind of alarm system based on monolithic integrated circuit controls the automobile guards against hitting. This equipment the monolithic integratedcircuit real-time control and the data processing function, with the ultrasonic wave range finder technology, the sensor technologyunifies, may examine in the automobile movement rear area the obstacle and the automobile distance and the automobile vehicle speed, reveals the installment demonstration distance through the number, and is away from far and near the situation by the sound production electriccircuit basis to send out the warning sound. The ultrasonic ranging principle is, after unceasingly examines the ultrasonic wave launch to meet the echo which the obstacle reflects, thus determines the launch ultrasonic wave and receives the echo the time difference. Then extracts is away from S=C×T/2, C is the ultrasonic wave wave velocity, under the normal temperature takes is 344 m/s. After sonic speed determination, so long as obtains the ultrasonic wave round-trip the time, then obtains the distance. The automobile vehicle speed survey is integrates the sensor through Hall to realize. Namely, is loaded with the permanent magnet the turntable input axis and the wheel revolution axis is connected, when the wheel rotates, the turntable along with it rotation, this time, on the turn table permanent magnet can integrate the sensor after Hall, thus integrates the sensor in Hall the input end to obtain a magnetism signal, if the turntable does not stop the rotation, Hall integratesthe sensor then to be able to output the rotational speed signal. It can be said that, to the automobile vehicle speed survey essence into the rotational speed signal frequency survey. AT89C2051 is a low power loss, the high performance 8 CMOS microprocessor, is compatible with the MCS-51 series instruction collection and the pin, has following characteristic: 128 bytes internal RAM, 2 K bytes EPROM, fifteen I/O line, two sixteen-fixed time counters, five two-level of interrupt sources, one entire duplex serial port, internal precisely simulates the comparator and internal swingming, the low power loss leaves unused and falls the electricity pattern. The working voltage scope 4.25 ~ 5.5 V, the operating frequency takes12 MHz. In AT89C2051, two sixteen-fixed time/counters registers is T0and T1, make fixed time/counters, may count the machine cycle, counts the frequency for the oscilation frequency 1/12; When makes the counter, may appears to on exterior input pin P3.4/T0 and P3.5/T1 from 1 to 0 changes when increase 1, counts the frequency for the oscilation frequency 1/24.
单位代码：005 分类号：IN 大学创新学院 本科毕业论文（设计） 题目：汽车倒车防撞系统设计专业：电子信息工程 姓名：楠楠
学号：0903024119 指导教师：延宁 职称：教授 毕业时间：二零一三年六月
汽车倒车防撞系统设计 摘要：本次设计主要是以AT89S52单片机作为主体设计的汽车倒车防撞系统，这种智能的系统给汽车在倒车时提供较高的安全性。该系统利用了超声波不用接触就能进行测量距离的特点，系统主要包括超声波发射电路模块,超声波接受电路模块，液晶显示模块以及声光报警电路模块。超声波探头主要是进行超声波的发射和接受部分，液晶显示主要是显示障碍物与车之间的距离，在超出所设定的距离时，蜂鸣器报警，同时发光二极管亮，提醒驾驶员采相应的措施。提高汽车在倒车过程中的安全性，能很有效的减少交通事故。 关键词：AT89S52；超声波；测量距离；防撞
The Design about Collision Avoidance System of Revering Abstract：This design is mainly based on AT89S52 single chip microcomputer as the main design of the automobile back-draft anti-collision system, this system of intelligent car provides high security in reverse. The system uses ultrasonic without contact can characteristics of distance measurement, system mainly consists of ultrasonic transmitting circuit module, ultrasonic receiving circuit module, liquid crystal display module and an acousto-optic alarm circuit module. The ultrasonic probe is mainly the ultrasonic transmitting and receiving part, LCD display between the obstacle and the vehicle distance, beyond the set distance, the buzzer alarm, at the same time the bright light emitting diodes, to remind the driver to adopt the corresponding measures. Improve the safety car in reversing the process, can be very effective to reduce traffic accidents. KEY WORDS: AT89S52, ultrasonic, measuring the distance,collision avoidance
绪论 汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力称为汽车的制动性。人们在汽车上装设专门装置，以便驾驶员根据道路和交通等情况借以使外界（主要是路面）在汽车的某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动，使驾驶员和乘客免受车祸的灾害。这一系列专门装置即称为制动系。 1.汽车制动系统的概况及作用 1.1汽车制动系统的发展概况 从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。汽车制动系统种类很多，形式多样。传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气—液混合式。它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空泵为真空助力器提供真空。汽车制动系统的发展是和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关的，制动系统的每个组成部分都发生了很大变化。 1.2汽车制动系统作用 使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车;使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车;使下坡行驶的汽车速度保持稳定。 2.制动器（brake staff）简介
制动器就是刹车。是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。俗称刹车、闸。制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的大型设备(如矿井提升机、电梯等)则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。 制动器分为行车制动器（脚刹），驻车制动器（手刹）。在行车过程中，一般都采用行车制动（脚刹），便于在先进的过程中减速停车，不单是使汽车保持不动。若行车制动失灵时才采用驻车制动。当车停稳后，就要使用驻车制动（手刹），防止车辆前滑和后溜。停车后一般除使用驻车制动外，上坡要将档位挂在一档（防止后溜），下坡要将档位挂在倒档（防止前滑）。 使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。摩擦材料分金属和非金属两类。前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。 3.捷达汽车制动器结构分类 制动器按制动目的可分为行车制动器、驻车制动器、应急制动器和辅助制动器。制动器按耗散能量的方式可分为摩擦式、液力式、电磁式和电涡流式，目前广泛使用的是摩擦式制动器。摩擦式制动器按其摩擦副的几何形状可分为鼓式、盘式和带式，以鼓式、盘式制动器应用最广泛。 大众捷达鼓式、盘式制动器的分类如图3-1所示。
汽车倒车防撞报警器的设计与实现 摘要:倒车后视不良一直是困扰驾驶员，特别是新手的难题。倒车雷达能以声音或者更为直观的形式告知驾驶员周围障碍物的情况，帮助驾驶员扫除视野死角和消除视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。本文详细介绍了一种基于AT89C51单片机的超声波脉冲测距的倒车防撞报警器的设计。该设计以超声波在空气中传播速度为确定条件,利用超声波的反射，测量距离。论文概述了超声测距的基本原理及超声传感器的特性，并在超声测距原理的基础上,提出了系统的总体构成，以蜂鸣器报警作为警告提醒，具有较强的实用性。 关键词：防撞超声波传感器距离方位控制系统 Reversing car collision avoidance alarm Design and Implementation Abstract: The back-draft back sight is not good always puzzles the pilot, specially novice's difficult problem.The back-draft radar can or a more direct-viewing form informs around the pilot by the sound the obstacle situation, helps the pilot to clean the field of vision dead angle and the elimination line of sight fuzzy flaw, enhances driving the security.This article introduced one kind in detail based on AT89C51 monolithic integrated circuit ultrasonic wave pulse range finder back-draft proximity warner design. This design take the ultrasonic wave in the air the propagation velocity as the determination condition, the use ultrasonic wave reflection, the survey distance.The paper has outlined the supersonic range finder basic principle and the supersonic sensor characteristic, and in the supersonic range finder principle foundation, proposed the system overall constitution, reports to the police by the buzzer took the warning reminder, has the strong usability. Key words: Anti-collision Ultrasonic sensor Distance Position Control system
毕业设计（论文）开题报告
1 选题的背景和意义 1.1 选题的背景 在全球面临着能源和环境双重危机的严峻挑战下世界各国汽车企业都在寻求新的解决方案一一如开发新能源技术，发展新能源汽车等等然而. 新能源汽车在研发过程中已出现!群雄争霸的局面在能源领域. 有压缩天然气，液化石油气，煤炼乙醇，植物乙醇，生物乙醇，，生物柴油，甲醇，二甲醚，合成油等等新能源动力汽车在转换能源方面有燃料电池汽车氢燃料汽车纯电动汽车轮毅电机车等等。选择哪种新能源技术作为未来汽车产业发展的主要方向是摆在中国汽车行业面前的重要课题。据有关专家分析进入新世纪以来，以汽车动力电气化为主要特征的新能源电动汽车技术突飞猛进。其中油电混合动力技术逐步进入产业化锂动力电池技术取得重大突破。新能源电动汽车技术的变革为我国车用能源转型和汽车产业化振兴提供了历史机遇[1]。 作为 21 世纪最清洁的能源———电能，既是无污染又是可再生资源，因此电动汽车应运而生，随着人民生活水平和环保觉悟的提高电动汽车越来越受到广泛关注[2]。传统车辆的转向、驱动和制动都通过机械部件连接来操纵，而在电动汽车中，这些系统操纵机构中的机械部件（包括液压件）有被更紧凑、反应更敏捷的电子控制元件系统所取代的趋势。加上四轮能实现± 90°偏转的四轮转向技术，车辆可实现任意角度的平移，绕任意指定转向点转向以及进行原地旋转。线控和四轮转向的有机结合，是当今汽车新技术领域的一大亮点，其突出特点就是操纵灵活和行驶稳定[3]。轮毂电机驱动电动车以其节能环保高效的特点顺应了当今时代的潮流，全方位移动车辆是解决日益突出的城市停车难问题的重要技术途径，因此，全方位移动的线控转向轮毂电机驱动电动车是未来先进车辆发展的主流方向之一。全方位移动车辆可实现常规行驶、沿任意方向的平移、绕任意设定点、零半径原地转向等转向功能[4]。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 电动汽车的出现得益于19世纪末电池技术和电机技术的发展较内燃机成熟，而此时石油的运用还没有普及，电动车辆最早出现在英国，1834年Thomas Davenport 在布兰顿演示了采用不可充电的玻璃封装蓄电池的蓄电池车，此车的出现比世界上第一部内燃机型的汽车(1885年)早了半个世纪。1873年英国人Robert Davidson制造的一辆三轮车，它由一块铁锌电池向电机提供电力，这被认为是电动汽车的诞生，这也比第一部内燃机型的汽车早出现了13年。到了1881年，法国人Gustave Trouve 使用铅酸电池制造了第一辆能反复充电的电动汽车。此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置，据统计，到1890年在全世界4200辆汽车中，有
汽车倒车防撞报警器设计 摘要 本设计从实验研究分析的角度，分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题。较详细的介绍一种超声波测距系统以及根据该系统设计，研制的汽车倒车防撞报警器，它能自动检测车尾障碍物的距离。当达到极限位置的时候，它能发出声光报警，提醒司机刹车。设计采用国内生产厂家的通用元件，成本低，性能可靠，有利于推广。超声波距离传感器采用压电元件锆钛化铅，一般称为RZT，这种传感器的特点在于具有方向性，汽车所用的倒车声纳系统利用超声波距离传感器的“回声”现象制成的，倒车时向车辆后方发射超声波，测定超声波遇到障碍物后返回的时间，就可以得到车到障碍物的距离。关键字:汽车倒车，防撞，报警器
DESIGN OF CAR REVERSING ANTI-COLLISION ALALM ABSTRACT The basic designing principle of the automobile anticollisionsystem and the problems existed in the domestic and internationalare analyzed. In this paper, Not only ultrasonic range meteringsystem also principle ,methods and procedures of the designaccording to the design were introduced. The car reversing upanticollision alarm is studied. When the distance reaches the limitpoint, the alarm can give out sound and Light alarm,reminding drivers to design includes sending,receiving and is sent and received by ultrasonic transducer,which isequipped with directivity. piezoelectric element is used ,generallycalled RZT. In anticollision circuit, acousto-optic anticollisionis applied for voice alarm. This designing adopts the commoncomponent of domestic manufacturers,
基于MAT LAB 的汽车制动系统 3 设计与分析软件开发 孙益民(上汽汽车工程研究院 【摘要】根据整车制动系统开发需要, 利用MAT LAB 平台开发了汽车制动系统的设计和性能仿真软件。 该软件用户界面和模块化设计方法可有效缩短开发时间, 提高设计效率。并以上汽赛宝车为例, 对该软件的可行性进行了验证。 【主题词】制动系汽车设计 统分成两个小闭环系统, 使设计人员更加容易把 1引言 制动性能是衡量汽车主动安全性的主要指标。如何在较短的开发周期内设计性能良好的制动系统一直是各汽车公司争相解决的课题。 本文拟根据公司产品开发工作需要, 利用现有MA T LAB 软件平台, 建立一套面向设计工程师, 易于调试的制动开发系统, 实现良好的人机互动, 以提高设计效率、缩短产品开发周期。 握各参数对整体性能的影响, 使调试更具针对性。 其具体实施过程如图1所示。 3软件开发
与图1所示的制动系统方案设计流程对应, 软件开发也按照整车参数输入、预演及主要参数确定, 其他参数确定和生成方案报告4个步骤实现。3. 1车辆参数输入 根据整车产品的定位、配置及总布置方案得出空载和满载两种条件下的整车质量、前后轴荷分配、质心高度, 轮胎规格及额定最高车速。以便获取理想的前后轴制动力分配及应急制动所需面临的极限工况。 3. 2预演及主要参数确定 在获取车辆参数后, 设计人员需根据整车参数进行制动系的设计, 软件利用MAT LAB 的G U I 工具箱建立如图2所示调试界面。左侧为各主要参数, 右侧为4组制动效能仿真曲线, 从曲线可以查看给定主要参数下的制动力分配、同步附着系数、管路压力分配、路面附着系数利用率随路况的变化曲线, 及利用附着系数与国标和法规的符合现制动器选型、性能尺寸调节, 查看液压比例阀、感载比例阀、射线阀等多种调压工况的制动效能, 并通过观察了 2汽车制动系统方案设计流程的优化 从整车开发角度, 制动系统的开发流程主要包括系统方案设计、产品开发和试验验证三大环节。制动系统的方案设计主要包含结构选型、参数选择、性能仿真与评估, 方案确定4个环节。以前, 制动系统设计软件都是在完成整个流程后, 根据仿真结果对初始设计参数修正。因此, 设计人员往往要反复多次方可获得良好的设计效果, 而且, 在调试过程中, 一些参数在特定情况下的相互影响不易在调试中发现, 调试的尺度很难把握。 本文将整车设计流程划分为两个阶段:主要参数的预演和确定、其他参数的预演和参数确定。即根据模块化设计思想, 将原来一个闭环设计系 收稿日期:2004-12-27 3本文为上海市汽车工程学会2004年(第11届学术年会优秀论文。