摘要：為解決超聲倒車雷達指向性不足和存在探測盲區(qū)的缺點，設(shè)計使用步進電動機驅(qū)動小波束角超聲傳感器做扇形掃描探測的辦法。設(shè)計中使用步距角為7．2°的步進電動機驅(qū)動波束角為5°的超聲傳感器在每一個步進角度上進行測距。結(jié)合測距的角度和測得的距離就可得到準確的障礙物位置信息。并且，由于傳感器的有效探測角度大于電機的步進角度，所以每一次測距的探測范圍會相互交疊，消除了探測盲區(qū)的存在。實驗證明，使用步進電機驅(qū)動超聲傳感器進行探測，其準確度為傳統(tǒng)倒車雷達的6倍以上。
關(guān)鍵詞：超聲波測距；倒車雷達；探測盲區(qū)；步進電機；扇形掃描

    倒車雷達，又稱為泊車輔助系統(tǒng)，是車輛泊車時的安全輔助裝置。倒車雷達系統(tǒng)能夠在泊車時以聲音、指示圖形或視頻影像等方式向駕駛員反映車輛后方的環(huán)境狀況，解除視覺死角中的潛在威脅，提高車輛停泊的安全性。目前倒車雷達的應(yīng)用十分廣泛，絕大多數(shù)車輛都已經(jīng)將倒車雷達作為必不可少的標準配件。
    目前的倒車雷達系統(tǒng)大多采用超聲波測距原理：通過超聲波測距裝置測取車輛后方的障礙物距離，以此為依據(jù)來判斷泊車環(huán)境。超聲波測距具有能量消耗緩慢、傳播距離遠的優(yōu)點，且不易受光線、煙霧、電磁等干擾的影響，可以在各類天氣下使用；并且利用超聲波測距原理簡單、易于實現(xiàn)，成本低廉、可靠性也好，因而廣泛應(yīng)用于各類倒車雷達中。但是由于超聲波測距系統(tǒng)自身的原因，以往的倒車雷達只能夠模糊地判斷障礙物的大致位置，并不能準確地指示泊車的環(huán)境狀況，而且總會存在一定的探測盲區(qū)。因此，設(shè)計無盲區(qū)的高精度倒車雷達具有較高的應(yīng)用價值。

1 超聲波測距的特性
1．1 超聲波測距的原理
    超聲波測距，是依靠超聲傳感器向外發(fā)射超聲波，然后接收超聲波遇到障礙物后反射回來的回波，依據(jù)發(fā)射和接收的時間間隔t以及聲波的傳播速度v，來計算傳感器和障礙物之間的距離S。即
   
    式(1)中v為聲波傳播速度。在空氣介質(zhì)中，聲波的傳播速度會受到溫度、濕度、氣壓等因素的影響，其中溫度對聲波速度的影響最大，其補償關(guān)系為：
   
    由此可知，超聲波測距中，聲波的傳播速度和聲波發(fā)射與接收的時間間隔是判斷距離的兩個依據(jù)。如果測距環(huán)境的溫度變化不大，或者系統(tǒng)對測距結(jié)果不要求有很高的精度，就可以忽略溫度對聲波傳播速度的影響，以v=340m／s的恒定值作為聲波傳播的速度，在這樣的情況下，回波時間的長短就成為測距的唯一依據(jù)。
    在超聲倒車雷達的設(shè)計中，由于系統(tǒng)的探測精度只要達到厘米級，所以一般不需考慮溫度補償，而只根據(jù)回波時間來判斷所測距離。
1．2 超聲波測距指向性的不足
    超聲波測距裝置的核心部件是超聲傳感器，超聲傳感器是發(fā)射和接收超聲波的裝置。傳感器在發(fā)射超聲波時，能量并不是均勻分布的，而是存在波束角的概念。
    超聲傳感器在發(fā)射超聲波時，沿傳感器中軸線的延長線(垂直于傳感器表面)方向上的超聲射線能量最強，而其他方向上的聲波能量逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長線為軸線，由此向外，至發(fā)射能量減少至半數(shù)(-3 dB)處，這個夾角被稱為超聲傳感器的波束角，如圖1所示。

    波束角的大小，代表著超聲傳感器有效探測范圍的大小。因為在傳感器有效探測范圍以外，聲波能量過于分散，無法產(chǎn)生有效的回聲，也就無法測出相應(yīng)的距離。所以，超聲波測距裝置通常只能夠探測到處在其傳感器波束角范圍內(nèi)的物體的距離。
    在相同環(huán)境下，由于超聲波測距系統(tǒng)測距的依據(jù)只有回波時間這一項，所以在系統(tǒng)的有效探測范圍內(nèi)，以超聲傳感器為圓心，處于同一圓弧上的物體，都會產(chǎn)生相同的回波時間，都會得到相同的測距結(jié)果。這就是說，使用超聲系統(tǒng)測距測得的距離并不一定是傳感器正前方的物體的距離。超聲波測距，只能測得被測物體的距離，卻無法確定產(chǎn)生該距離的物體的確切方向，也不能確定產(chǎn)生該距離的被測物是否只有一個。測距系統(tǒng)選用的傳感器波束角越大，被測物體的具體方位就越不確定，測距的指向性也就越差。指向性不足是超聲波測距最大的缺點。

2 以往設(shè)計方法的缺陷
    以往的超聲倒車雷達設(shè)計，均采用了多個超聲傳感器均勻陣列的探測方式。并且要求所有傳感器的探測范圍之和，能夠覆蓋車體后部的全部區(qū)域，以保證能夠全面探測泊車環(huán)境。
    由于超聲測距系統(tǒng)的指向性與探測范圍成反比，所以如果要求系統(tǒng)能夠更精確地測得障礙物的位置，就必須使用數(shù)量較多的小波束角傳感器密集陣列。但是這樣的方法成本較高，并且影響車輛美觀，更重要的是如果傳感器密集陣列相互之間還可能會造成干擾，影響探測的可靠性。所以目前的倒車雷達系統(tǒng)大多犧牲了測量的準確性，而選用3～4個探測范圍較大的大波束角超聲傳感器陣列探測。
    這樣的設(shè)計方法只能夠探知障礙物的存在，卻無法明確障礙物的具體方位。并且，這樣的探測方法也仍舊存在著一定的盲區(qū)。如圖2所示，在距離車尾較近的位置，如果出現(xiàn)體積較小的障礙物位于兩個傳感器之間，就很可能會被系統(tǒng)漏測。這是由超聲測距系統(tǒng)自身的特性決定的，無法克服。

    圖中標號區(qū)與為各傳感器有效探測范圍，陰影部分即為相鄰傳感器探測區(qū)域之間的探測盲區(qū)。

3 扇形掃描探測方法
    為了克服超聲測距系統(tǒng)指向性差且存在探測盲區(qū)的缺點，設(shè)計中使用了通過步進電機驅(qū)動單套小波束角傳感器，做扇形掃描探測的方法。
3．1 扇形掃描探測方法
    在設(shè)計中，使用步距角為7．2°的步進電機，驅(qū)動波束角為5°的超聲傳感器。在每一輪掃描中，電機步進20步，掃描車輛正前方左右共144°的范圍。這樣，從起始位置開始，超聲傳感器總共會在21個不同的角度上進行測距。步進電機每步進一個角度，測距系統(tǒng)就在當前的角度上測得一個距離信息，結(jié)合當前的掃描角度，就會得到一個較為精確的，包含距離、方向兩方面內(nèi)容的位置信息。每完成一輪掃描，就會得到21個連續(xù)的位置信息。依據(jù)這些信息，就能夠較為精確地判斷障礙物的具體方位，得知相對準確的泊車環(huán)境。掃描角度如圖3所示。

3．2 扇形掃描探測的優(yōu)點
    首先，系統(tǒng)使用小波束角超聲傳感器進行測距，測距的指向性更加優(yōu)越；并且，由于系統(tǒng)選用的傳感器的有效掃描角度為10°(5°×2，波束角內(nèi)的范圍)，而步進電機每一次只轉(zhuǎn)動7．2°的角度，所以探測范圍內(nèi)的每一個區(qū)域都會被重復(fù)探測，不會出現(xiàn)障礙物被遺漏的情況，消除了探測盲區(qū)的存在。
    此外，由于系統(tǒng)只使用了一套單獨的超聲測距系統(tǒng)，所以在進行測距工作時不存在傳感器之間相互干擾的問題，系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，結(jié)果也更加可靠。
3．3 扇形掃描探測方法的效果
    扇形掃描的探測方法將所需探測的區(qū)域劃分成一定數(shù)量的較小區(qū)域逐個探測。這樣的方法極大地提高了掃描的準確度，不僅獲得了障礙物的距離信息，也獲得了較為準確的方向信息。以泊車過程中通常會遇到的方形、圓形、尖角這類障礙物為例，在不同距離上，掃描效果如圖4所示。

    雖然探測結(jié)果相較于障礙物的實際情況仍有較大差別，但已經(jīng)比較確切地反映了障礙物的實際分布情況。依據(jù)這樣的探測結(jié)果，可以為駕駛員提供更加直觀明確的參考信息，極大地提高了泊車的安全性。
3．4 時效性分析
    使用扇形掃描的探測方法，需要在21個不同的方向上逐個進行距離探測，相比于以往的設(shè)計來說，這樣的探測方法耗費的時間要長很多。但是對于倒車雷達系統(tǒng)來說，由于泊車時的探測距離不會超過3 m，進行21次測距所需的時間也在幾秒鐘之內(nèi)，并且倒車時的車速很慢，所以不會影響正常的倒車行駛。

4 結(jié)論
    在倒車雷達的設(shè)計中使用扇形掃描的探測方法，不僅能夠更加準確地探知環(huán)境中存在的障礙物的具體方位，更真實確切地反映泊車環(huán)境的實際情況，而且消除了以往設(shè)計中普遍存在的探測盲區(qū)。實驗證明，其探測的準確度至少是傳統(tǒng)倒車雷達的6倍以上。這樣的設(shè)計能夠給駕駛員提供更加直觀可靠的參考信息，極大地提高了泊車的安全性。