Projekt samochodowego układu antykolizyjnego z wykorzystaniem ultradźwiękowego przetwornika odległości

Wraz z ciągłym rozwojem technologii samochodowej, zwłaszcza rozwojem technologii jazdy autonomicznej, pojawiać się będzie coraz więcej urządzeń do wykrywania odległości. Obecnie istnieją cztery główne metody pomiaru odległości w samochodach: tryb pomiaru radarowego fal milimetrowych; tryb ustawiania zakresu systemu kamer; tryb pomiaru lasera; tryb ultradźwiękowy. Problemem radaru fal milimetrowych są zakłócenia elektromagnetyczne, a system kamer jest kosztowny, co utrudnia jego popularyzację w samochodach. Dalmierz laserowy ma zalety krótkiego czasu pomiaru, dużego zasięgu, wysokiej dokładności itp., dostosowując się do potrzeb samochodów od niskiej do dużej prędkości, unikając zjawiska niedokładności pomiaru spowodowanego małą prędkością pomiaru, gdy samochód jedzie z dużą prędkością. Ultradźwiękowy czujnik pomiaru odległości jest w zasadzie prosty, wygodny w produkcji i stosunkowo tani, ale nadaje się tylko do pomiaru odległości na krótkich dystansach i przy małych prędkościach, dlatego stosuje się go do pomiaru odległości podczas cofania samochodu. Proponowany w tym artykule system alarmowy bezpieczeństwa, łączący laserowy i ultradźwiękowy pomiar odległości, ma za zadanie pomóc kierowcy w wykrywaniu i wyświetlaniu odległości pomiędzy pojazdem a otaczającymi go przeszkodami w różnych warunkach jazdy i w wielu kierunkach. Gdy odległość od przeszkody jest mniejsza niż ustawiona odległość, kierowca znajduje się w bezpiecznej odległości, aby uniknąć wypadku drogowego spowodowanego przedwczesną reakcją kierowcy.

2. Projekt schematu układu antykolizyjnego

Kluczem do unikania kolizji samochodowych jest zastosowanie systemów pomiaru odległości i unikania kolizji. System ten składa się z modułu wyznaczania odległości, jednostki obliczającej sterowanie, jednostki wyświetlacza, jednostki alarmowej, jednostki wykonawczej itp. Moduł pomiaru odległości dokładny przetwornik ultradźwiękowy składa się z laserowego modułu pomiaru odległości, który działa, gdy samochód porusza się do przodu oraz ultradźwiękowego modułu pomiaru odległości, który działa, gdy samochód cofa. Obydwa urządzenia są odpowiednio połączone z jednostką sterującą za pośrednictwem odpowiednich obwodów komunikacyjnych, które mogą monitorować przeszkody wokół samochodu w różnych warunkach pracy, takich jak przód i tył samochodu, oraz przekazywać odległość między samochodem a przeszkodą do jednostki sterującej. Jednostka sterująca połączona jest poprzez jednostkę wykonawczą, jednostkę alarmową itp. realizującą alarmy dźwiękowe i świetlne, aktywne hamowanie oraz inne funkcje antykolizyjne.

3. Zasada zasięgu

Zasadą pomiaru odległości ultradźwiękowej jest typ odbicia impulsu, który wykorzystuje do działania swoją charakterystykę odbicia.

Przesyłanie fal ultradźwiękowych w określonym kierunku przez nadajnik ultradźwiękowy i rozpoczynanie pomiaru czasu podczas transmisji. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają, gdy na swojej drodze napotkają przeszkodę. Odbiornik ultradźwiękowy zatrzymuje odmierzanie czasu natychmiast po odebraniu fal odbitych. Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu wynosi C, a różnica czasu t pomiędzy transmisją a odbiorem echa mierzona jest według timera i można obliczyć odległość S pomiędzy punktem transmisji a przeszkodą, czyli: S=Ct/2.

Zasada pomiaru odległości laserem różni się od zasady czujnik ultradźwiękowy . Do określania odległości wykorzystuje metodę triangulacji.

Nadajnik wysyła impuls do przodu, a echo odbite po napotkaniu przeszkody jest odbierane przez odbiornik, a obraz echa jest skupiany na czujniku poprzez soczewkę, tworząc punkt obrazowy. Kiedy obiekt oświetlony laserem się porusza, punkt obrazu również przesuwa się na czujniku. Przy założeniu, że znana jest długość linii bazowej i określone jest względne położenie źródła światła, czujnika i obiektywu, mierzony obiekt można dokładnie określić, mierząc położenie punktu obrazu na czujniku.

4. Sprzęt systemowy i jego działanie

W głównym korpusie jednostki sterującej i obliczeniowej zastosowano jednoukładowy mikrokomputer STC89C52RC, będący niskonapięciowym, wysokowydajnym mikroprocesorem COMOS8 z programowalną i wymienną pamięcią flash o wielkości 8K bajtów, wyprodukowaną przez firmę STC.

Dzięki inteligentnemu 8-bitowemu procesorowi i programowalnej w systemie pamięci Flash może zapewnić wysoce elastyczne i ultraefektywne rozwiązania dla wielu wbudowanych systemów aplikacji sterujących. Brzęczyk i dioda LED tworzą jednostkę alarmową, która w odpowiednim czasie może wywołać alarm dźwiękowy i wizualny.

Dodatkowo w systemie tym zastosowano laserowy czujnik odległości SRF020M01A. Czujnik ultradźwiękowy został zaprojektowany z wykorzystaniem dedykowanego chipa o wysokiej wydajności, charakteryzującego się dużą dokładnością i dobrą stabilnością. Pojedynczym poleceniem wejściowym służącym do wyszukiwania zakresu jest „a/A”, a zwracane dane są pakowane i wysyłane w ramce. Na rynku powszechnie stosowane są czujniki ultradźwiękowe.

Kiedy samochód jedzie do przodu, prędkość jest duża i wszystkie systemy oprócz modułu ultradźwiękowego zaczynają działać. Jednostka sterująca (mikrokontroler) wysyła polecenie ustalania odległości („a/A”) do laserowego modułu ustalania odległości poprzez obwód komunikacji szeregowej RS232 w celu sterowania laserowym modułem ustalania odległości w celu emisji impulsów świetlnych do przodu, a moduł odbiera laser odbity od przeszkód. Po impulsie analizuje i oblicza odległość między samochodem a przeszkodą i wysyła dane do jednoukładowego mikrokomputera w postaci pakietu liczb szesnastkowych przez obwód komunikacyjny RS232. Konkretna wartość to 'ee+06+* * * *+cc', ee to nagłówek ramki, cc to na końcu ramki, trzeci * oznacza wynik pomiaru w formacie szesnastkowym.

Po przekształceniu jednoukładowego mikrokomputera na system dziesiętny, obwód wyświetlacza dynamicznie wyświetla odległość przeszkody S i jednocześnie ocenia się, że jeśli S jest mniejsze niż ustawiony próg K, czerwona dioda LED jednostki alarmowej będzie nadal migać, a brzęczyk będzie nadal alarmował, przypominając o konieczności prowadzenia pojazdu. Personel powinien w odpowiednim czasie podjąć działania antykolizyjne. Jeżeli po pewnym czasie kierowca w dalszym ciągu nie podejmie skutecznych działań, jednoukładowy mikrokomputer uruchamia hamulec awaryjny w jednostce wykonawczej, aby aktywnie uniknąć kolizji.

Gdy samochód cofa, prędkość jest niska, a czujnik modułu ultradźwiękowego zastępuje moduł laserowy. Pod kontrolą sygnału wysokiego poziomu z portem IO mikrokomputera jednoukładowego większego niż 10US, automatycznie przesyła fale kwadratowe 40 KHZ do tyłu.

Po powrocie fali ultradźwiękowej mikrokomputer jednoukładowy mierzy czas podróży ultradźwiękowej w obie strony na podstawie czasu trwania wysokiego poziomu pinu INT0 i poprzez konwersję uzyskuje odległość między samochodem a przeszkodą. Następnie każda jednostka systemu jest wykorzystywana do osiągnięcia takiej samej pracy antykolizyjnej jak dalmierz laserowy.

5. Projektowanie oprogramowania systemowego

Przedstawia konstrukcję oprogramowania do ultradźwiękowego pomiaru odległości. Po uruchomieniu systemu czujnik modułu ultradźwiękowego emituje fale ultradźwiękowe w odwrotną stronę i uruchamia timer w trakcie odbierania fal ultradźwiękowych. Odległość S od przeszkody S jest obliczana na podstawie czasu pomiaru T, a wyświetlacz dynamicznie wyświetla zmieniającą się w sposób ciągły odległość S. Jeśli odległość S jest mniejsza niż ustawiony próg, system włączy alarm dźwiękowy i wizualny, diody LED będą migać, a brzęczyk będzie emitował sygnał dźwiękowy, przypominając kierowcy o konieczności podjęcia w odpowiednim czasie działań zapobiegających kolizjom. Jeżeli po upływie 1 sekundy odległość S nadal jest mniejsza od ustawionego progu, oznacza to, że kierowca nie wykonał żadnej skutecznej operacji. Dlatego system kontroluje samochód, aby hamować awaryjnie i aktywnie zapobiegać kolizjom. Pokazuje projekt oprogramowania do pomiaru zasięgu lasera. Po tym jak moduł laserowy wyemituje i odbierze impulsy laserowe, obwód wewnętrzny modułu jednocześnie kończy obliczanie odległości S. Jeżeli S jest mniejsze od progu, generowany jest alarm.

6 Wniosek

System wybiera łączoną metodę pomiaru odległości, która łączy w sobie laserowy czujnik odległości i czujnik odległości przetwornik ultradźwiękowy do pomiaru odległości . Metoda pomiaru odległości pojedynczym czujnikiem jest znacznie ograniczona warunkami zastosowania czujnika i trudno jest sprostać złożonym stanom jazdy i zmiennemu środowisku zewnętrznemu samochodu, więc zalety tego systemu są oczywiste. W różnych stanach jazdy, takich jak jazda do przodu, do tyłu, niska prędkość, duża prędkość itp., system może skutecznie monitorować i dystansować przeszkody w otaczającym otoczeniu samochodu, dzięki czemu samochód może aktywnie zapobiegać kolizjom i zapobiegać wypadkom drogowym. Perspektywy badawcze.