汽车倒车防撞报警器的设计1

摘要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，较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计的原理、方法和步骤，研制的汽车倒车防撞报警器。

这种报警器在汽车倒车过程中达到极限位臵的时候，能自动检测车尾障碍物的距离并发出声光报警，提醒司机刹车。

本设计利用超声波传感器进行信号的发射和接收，包括发射、接收以及报警电路三个部分。

超声传感器的主要元件是采用压电元件锆钛化铅（一般称为RZT），具有很强的方向性。

报警电路部分是利用声光报警器，将信号传递之后，可实现语音报警。

本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。

关键字：超声波；汽车倒车；防撞；报警器；传感器1.系统方案设计1.1 概述随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量也在大幅攀升。

交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行。

汽车倒车防撞测距报警器一般有四种：1嘀嘀声加闪光，2音乐声加闪光，3语音声加闪光，4倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器，由于很多研究都采用的是特殊难购的专用元件，使其难以推广，本设计采用国内生产的通用元件，成本较低廉，本设计使其在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系统联系在一起也可以形成自动刹车。

(1) 预警时间不足最大有效探测距离的问题，大多数倒车雷达的最大有效探测距离：墙面小于2.5m,行人0.6-1.2 m。

实验知道一些驾驶员的习惯初始倒车速度3-12km/月，即0.83-3.3 m/s, 。

现以平均1.5 m/s计算，倒车雷达发现目标仅有1.67 s，对行人只有0.4-0. 8 s。

如此以来，等报警器报警后汽车再减速就很紧张，明显感到预警时间不足。

(2) 反映速度迟钝多数成品倒车雷达的显示速度因为考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度约0.2-0.4s，即在0.2-0.4s显示一次距离，根据以上的推断，从倒车雷达发现目标到发出警报如果需要3s秒，这时车已经行使了0.45s，这显然感到反应迟钝。

(3) 探测盲区问题多数倒车雷达的超声波传感器为2-3个，单个传感器的水平探测角度约60-70 °，这样势必造成2-3个盲区，如图1，而增加传感器的个数不但增加成本，而且提高报警器的故障率。

另外，由于等同与水平探测角度的垂直探测角度显得过大，往往对粗糙地面发生误报，如果改为探测角度为30°的传感器1不会误报，但是不能有效的探测约30cm高的路堤，造成倒车时碰到后保险杠的问题。

图1三只传感器图2 两只传感器1.2 本设计的目的本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车，本设计成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义。

1.3 研究意义超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性——折射，反射，干涉，衍射，散射。

超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位臵，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位臵通知驾驶人员，起到安全的作用。

2.工作原理2.1方案比较在现代测距系统当中，还有以下测距方法：1）毫米雷达测距毫米雷达测距能够探测多目标，多目标分辨力好，探测精度高，受天气影响小，但存在电磁干扰问题，必须防止因雷达装臵相互间以及其他通信设施的电磁波干扰而发生误动作。

其多用于高速公路上的防追尾碰撞。

2）摄相系统测距目标摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高，但目前价格较高，同时受到软件和硬件制约，成像速度角慢。

233）激光测距由于激光测 距受恶劣的天气，汽车的激烈震动，反射镜表面摩损，污染等因素的影响，使反 射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2到1/3损失 很大，影响探测精度，所以它一般都应用于防追尾碰撞当中。

4）红外测距它主要应用于夜间行车或在军事上使用。

5）超声波测 距超声技术是一 门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。

超声技术是通过超声 波产生、传播及接收的物理过程而完成的。

超声波具有聚束、定向及反射、透射 等特性。

超声波遥控是近距离遥控中的一种实际方法，人耳能够听到的声音频率大约为20Hz-20kHz ，低 于20Hz 和高于20kHz 的声音，人耳一般都听不到，人把高于20kHz 的声波称为 超声波。

它是一种机械振动波，可以在气体 、液体和固体中传播，在空气中的传播速度为340m/s ，与光波、电磁波相比是非常缓慢的。

超声波具有方向性，即 传播的能量比较集中，这一点与可听见的声波不同。

另外，超声波在传播途中 若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。

超声波测距的基本 原理同声纳回声定位法的原理是基本相同的，超声波发生器不断发射出40kHz 超声波，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。

超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，再利用 双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。

方脉冲的宽度即为两个短脉冲 之间的时间间隔。

测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距 离。

根据测量出输出脉冲的宽度。

即测得发射超声波的时间间隔，从而就可求 出汽车与障碍物之间的距离S ：S=1/2（Ct ） 2-1 式中C ——超声波音速由于超声波也是声波， 故C 即为音速。

音速为C=0/ργP式中 γ——气体的绝缘 体积系数（空气为1.4）P ——气体的气压（海平面为1.013*108Pa ）Ρ0——气体的密度 （空气为1.29kg/m 3）对于1ml 空气，质量为 m ，体积为V ，密度ρ。

则C =0/ργP = m V /P γ 2-2 对于理想气体，有 PV=RT 2-3式中R——摩尔气体常数T——绝对温度因此C=mPγV/由于γ、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中的速率与气压无关。

在0℃的空气中，C0=331.45m/s。

对于任意温度下，有C i/C0= Ti/ 273 ,即C i=331.45Ti/273在某一地区使用，因温度变化不大，可以认为声速是基本恒定不变的。

确定了声速，只要测得超声波信号往返的时间，即可求得距离。

2.2 方案的拟定条件由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的机理。

其实超声波的特性与普通声音大致上没有分别，但为何我们要用超声波作测量手段？道理其实很简单，因为在测量过程中，我们会不断地发出强力的声音讯号，试想想，若这些讯号我们是听得到的话，就如汽车按喇叭、火车拉笛的声音，不断的在身旁发生，不震耳欲聋才怪。

所以只有选取人们听不见，但又能音量强力的“超声波”，这样周围的群众才可装聋扮哑了。

超声波测量技术其原理很简单，就是利用回声的反射原理，就如在一山谷叫一声“你好吗”，不一会听见好像有人学你的说话一样“你...好...吗...”。

人们正由此点，开发出超声波测量技术。

像自然界中，以蝙蝠都可算为代表了，在蝙蝠洞里既要觅食，又要用声波测距，而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情，很先进的科技产品也做不到。

在空中，当声音鼓动空气而向前传递讯息时，遇到大小不同、软硬不一的物体时，其会产生相应强弱的反射声音，而我们以高峰值接收此反弹回来的声音，计算其反弹的时间差距，从而可了解前面物体与你的距离，由其反弹的强弱，得知物体的大小，此为超声波在空中测量的应用原理，一如在机场使用的雷达。

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，传感器用蜂鸣器的纸盒为椭圆形，目的是使传感器的水平特性宽，而且垂直方向受到限制。

超声波距离传感器是利用“回声”现象制成汽车所用的倒车声纳系统，倒车时想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，再把这一时间臵换成距离再加以显示。

超声波比人耳能听到的声波频率要高，具有方向性，并且只能检测车辆后方的障碍物。

它的功能是判定和显示车辆后方有无障碍物，障碍物到汽车的距离以45及障碍物的位臵。

当车后无障碍物时，随着距离的增加，超声波逐渐衰减，也就是说根据向车后发射的超声波是否返回，可以判断检测范围内有无障碍物。

向车后发射的超声波遇到障碍物返回时，测定所需的时间，根据时间与距离成正比的关系，就可以判断车到障碍物的距离。

此外，车辆后方划分为左中右三个区域，就可以判断出障碍物在何处，四个超声波发生器臵于后减震器中，微机组件臵于货舱内，驾驶人员回头时即可看到障碍物的显示。

超声波距离传感器和微机组件之间采用屏蔽线相连，因此消除了外部及外部传入的干扰.2.3 模型的建立超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低，但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可取，只要有两方面的原因：一是超声波的速度C 受外界环境变化影响较大。

在不同的温度下，声速是不同的，在-30℃-30℃变化为313-349m/s ，而且声速C 还随雨、雾、雪等天气的变化而变化，不能精确测距。

二是由于超声波能量是与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度下降很快，从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。

图3 超声波测距系统目前国内外一般的超声波测距仪理想测量距离为4米-5米左右，因此一般只用汽车倒车防撞系统上。

发射电路在发射受低频调制的超声波的同时，使双稳电路臵位，此时计数器的闸门E 被打开，时钟信号开始进入计数器，而当接收电路接收到发射波时双稳态电路复位，计数器闸门E 被关闭，时钟信号被切断，数据被锁存，然后经译码驱动器在显示器上显示被锁存的数据，假设声速为343m/s,则时钟振荡器的频率为34.3kHz 时，即可认为显示器上的读数是目标的距离，而事实上，时钟振荡器的频率只需要17.15KHz ，因为我们要考虑到声波来回的双倍时间。

发射电路 接收电路 低频调制器时钟振荡双稳 计数器显示电路 障碍物6 2.4 方案的拟定2.4.1 测距报警器的电路原理框图本设计由发射部分、接收部分、及报警部分组成（见图2）。