汽车倒车雷达的Simulink仿真测试

汽车倒车雷达的Simulink仿真测试

作者：姚曼

来源：《中小企业管理与科技·下旬》2010年第05期

摘要:主要采用理论建模的方法,建立了汽车倒车雷达的仿真模型,在Matlab/Simulink软件下实现了汽车倒车雷达的系统级仿真测试,仿真结果表明该数学模型准确度高,而且对可能引起系统误差的参数做了分析,从而对我们在实际过程中的应用加以改进和完善。

关键词:超声波测距仿真

0 引言

倒车“后视”不良一直是困扰驾驶者的难题,如果我们给汽车装个倒车雷达,就可以有效地避免由于倒车而造成的经济损失和人身安全问题。倒车雷达的原理采用的是超声波测距原理,在控制器的控制下,由传感器发射超声波信号,当遇到障碍物时,产生回波信号,传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断有没有障碍物,以及障碍物的距离、位置等,由显示器显示距离并发出警示信号,提醒司机能够及时减速或刹车,这样就提高了行车的安全性,减少了事故的发生。

本文在分析汽车倒车雷达原理的基础上,给出了在Matlab/Simulink中实现超声波测距方案的系统仿真框图,利用设计的仿真模型对实际倒车时倒车雷达工作过程加以模拟,对可能引起系统误差的参数做了分析,从而对我们在实际过程中的应用加以改进和完善。

1 测距原理

超声波测距从原理上讲有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法的测距原理最为简单,在实际应用时设备成本较低,因而被广泛应用于各种近距离超声波测距系统中。

脉冲回波时间差法测距的原理,首先超声波发射器向某一方向发射超声波脉冲,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,若测得第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t,若采用的是发射接收一体的系统,则根据计时器记录的时间t,就可计算出发射点距障碍物的距离s,即:s=vt/2 .这就是时间差测距法。

在测距系统中,超声波是在气体中传播的,超声波的传播速度与温度密切相关。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的,一般取344m/s。如果测距精度要求很高,则可以通过温度补偿的方法加以校正。

2 倒车雷达的仿真电路设计

Matlab/Simulink软件提供了一个动态系统的建模、仿真和分析的集成仿真环境,是由模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成,是一个模块化、模型化的系统动态仿真环境。Simulink是Matlab的一个分支产品,主要用来实现对工程问题的模型化和动态仿真。

2.1 系统结构框图

超声波倒车雷达测距系统工作原理是超声波发射器一经发射超声波,同步时钟控制模块就开始记时,发射的超声波经过障碍物,会延迟一段时间,延迟的这段时间就是由障碍物处的预设距离决定的。接收器接收到回波信号经过判断输出给同步时钟一个停止的信号,然后同步时钟把从发射到接收所用的时间输出到后级计算模块,经过计算系统便会将所设定的这个距离正确地显示出来。报警器在倒车过程中,指示灯会随着距离的减小而由绿灯经过黄灯过渡,最后变为红灯报警,提醒司机注意倒车距离,及时刹车或减速。

2.2 系统仿真 Simulink仿真时,40KHz超声波发射器是用一个采样信号经过压控振荡器来实现的,这样发射的正弦波具有稳定性好,抗干扰性强的特点。在超声波传播过程中,空气中有很多的杂质,因而会有很强的噪声干扰。所以在仿真时超声波发射器加一个边带的高斯白噪声,设置噪声的多种参数,以便在系统仿真时进行调整。

超声波传播过程中,由于能量的损失会有很大的衰减,其振幅随传播距离的增大而不断减小,所以超声波测距一般只能对近距离的物体进行测量。在仿真时,主要是对到达障碍物的超声波进行幅度上的衰减和时间上的延迟。在障碍物这里预设一个距离,是为了把系统仿真的距离和预设的距离做一对比,以便测量系统的相对误差和准确度。

超声波接收器是一个判断超声波回波到来与否,以便将结果输入到同步时钟用来控制计数器停止计时的模块。当超声波经过障碍物到达接收器时,首先对回波进行放大,信号大于门限值,接收器确定回波到达并显示1,并将1输入到同步时钟模块,计数器停止工作,将计数结果输入距离计算模块进行计算。如果小于门限值,则证明回波还没有到达,显示超声波接收装置显示0,计数器就不会停止工作。用一个门限值来判断超声波的到来,可避免直接以过0检测脉冲回波到达时间,因干扰噪声引起的测量误差,同时还可以消除接收回波信号强弱不同造成的测量误差。距离计算模块是根据超声波测距的距离计算公式s=v*t/2而设计的。首先在输入端加了一个温度-声速子系统,所用到的声速和温度的函数式为v=,设置的工作温度在-30到100℃之间,系统如果工作在这个范围之外,温度报警装置就会报警。在仿真时将超声波的速度与温度表示出来,我们就可以得到系统在不同的温度下所测量的距离值。

倒车过程中,测距系统会将所测量的距离值用数字显示器显示出来,但是报警装置的红绿灯及可以更直观,更方便地提醒司机及时地刹车或减速。

2.3 系统精度分析超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,其测量精度一般是厘米数量级,但这样的精度完全能达到实用的要求。在超声波的传播速度是精确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm。所以在倒车雷达上加上一个温度修正系统就可以很大地提高测量精度。

3 仿真系统误差因素分析

3.1 回波检测对测量时间的影响在超声波从发射经过障碍物到接收的整个过程,其幅度会有很大的衰减,其衰减遵循指数规律,超声波频率越高,衰减越快。同时超声波频率过高会产生较多的副瓣,引起近场区的干涉。但是频率越高,超声波的指向性就越强,这一点对测距是有利的。

由于超声回波随距离的增加而变的十分微弱,所以在实际设计超声波接收器时,要对回波进行较大倍数的放大,使得回波易于检测。如果放大的倍数不够大,测量回波时就会受到信道噪声的影响,使得回波测量时间不准确,引起误差。

3.2 同步时钟控制对时间的影响在同步时钟控制模块中,超声波速度我们一般取344m/s,所以距离如果很小的话,超声波传播的时间也就会很短,例如距离从0.3m 变到0.4m时,时间的变化为0.00055s,在这个变化的时间内,计数器上显示的计数个数不变,因此我们在实际应用时可通过提高计数脉冲的频率的方法来减小误差。

3.3 门限比较延迟对时间的影响在检测回波时另一个带来误差的原因是回波信号与门限值比较时,有一个很小的时间误差,所以我们尽可能地将门限值取得比较小,这样原理上滞后的时间就比较短,所引起的误差就会缩小。

4 结束语

汽车倒车雷达是利用超声波测距原理,不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离,在一定距离范围内给驾驶者以警示,提高汽车在倒车时的安全性。本文设计的倒车雷达仿真系统可以实现实时的超声波测距仿真,并对系统的仿真结果做了误差分析,从而对实际应用提供了参考价值。

参考文献:

[1]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社.2002.

[2]姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安:西安电子科技出版社.2002.

[3]韩博奇.车载倒车雷达系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学.2006.