基于多源信息融合的倒车预警系统设计

王欠欠，马俊，周恩帆,陈博行，方卫强

（青海师范大学物理与电子信息工程学院，青海西宁 810008）

在现代化、科技化、智能化的二十一世纪，人们的生活质量已经有了显著的提高。在出行方面，交通拥挤、撞车、碾压等事件时常发生，驾驶员要高度集中注意力，观察各个方向的障碍物，稍不小心就会发生意外或造成财产损失。然而倒车后视能力不良往往会造成一些碰撞事故，这引起了大众的普遍关注。文中设计为了能够改善这种情况，减少事故的发生，使车辆具有良好后视能力，保障人民生命财产安全。文献[1]在车辆检测与识别过程的分析基础上，设计了一种基于多视觉传感器的泊车辅助系统，该系统通过利用车辆后摄像头传感器修正车位检测精度，最终实现了准确又安全的泊车。文献[2]以STM32F103 单片机作为主控核心，对外设的电机、超声波、传感器等模块进行控制，设计智能消防小车系统。文献[3]利用超声波测距原理，设计了防撞的倒车预警系统，辅助驾驶员安全倒车。文献[4]采用改进型超声波测距传感器和红外光电传感器采集外部障碍信息，使小车能够在不同环境中实现自主循迹避障。文献[5]通过不同宽度的脉冲控制舵机，带动超声波模块实现不同方向障碍物距离的检测，设计了超声波避障智能小车。文中设计了一种基于多源信息融合的倒车预警系统，采用多个超声波测距传感器，以STC89C52 为核心处理器，对多源信息进行融合，对障碍物距离进行显示判断，并结合LCD 显示、语音报警，蜂鸣器报警，实现了更高精度的避障。

1 设计原理

该设计采用的原理：利用STC89C52 为核心处理器、3 个超声波测距传感器、LCD 显示屏、语音报警、蜂鸣器报警五大模块，结合多个传感器组成的多传感器系统，从系统环境中收集障碍物的信息特征[6]。通过设计程序，使整个系统能够完整稳定地运行。当遇到障碍物时，采用多个超声波测距传感器，测量不同方位的距离，通过超声波测距传感器采集的数据S1、S2、S3，结合来自多个来源的信息通过模数转换，将模拟信号转化为单片机可识别的数字信号，送入单片机，在单片机内进行融合算法处理，得到h1、h2、h3，然后与设计的阈值进行比较，进而根据处理结果进行不同形式的报警功能。当障碍物与车的距离h满足30 cm ≤h<50 cm 时，循环播放“倒车请注意”的语音提示；当h<30 cm 时，蜂鸣器开始报警，提示已靠近障碍物边缘，须即刻停车。同时实时在LCD 屏显示距离，从而实现了多方位障碍物的监测，减少事故的发生，使车辆具有良好后视能力，从而保障人们的人身财产安全，设计原理如图1 所示。

图1 设计原理图

2 系统的总体设计

图2 为系统的总设计框图，供电电路可以通过USB 口供给固定的电压，将稳定的5 V 直流电源输入系统。这种USB 的供电方式简单安全、方便快捷。系统采用多个超声波测距传感器探测障碍物与车后方的距离，然后将其传达给单片机。单片机将接收到的多个传感器的数据信息进行处理、比较、融合，判断该距离是否在安全距离范围内，若未进入报警距离范围内，即可继续倒车，同时LCD 显示与障碍物之间的距离数值；若达到报警距离范围内，则执行报警模块，报警模块分为语音循环播放“倒车请注意”模块和蜂鸣器报警模块，同时在LCD 屏幕显示数值大小。

3 硬件设计

3.1 超声波测距模块

文中选用的超声波测距模块为HC-SR04[7]，与其他测距模块相比，测量距离的精确度较高，最高可为3 mm，探测不到的范围为2 cm。HC-SR04 中有接收和发送模块。利用三组超声波组合在车尾形成扇形分布。其中S1、S2、S3对应于3 个方向上的超声波测距传感器所测的信号来回距离，θ为传感器1 和传感器3 发射的超声波信号与障碍物所在直线形成的夹角。

超声波测距传感器的tx 端发射出的信号遇到障碍物，反射回来由rx 端接收传给单片机，进而可以通过信号来回距离的一半得出与障碍物的距离d，即通过测量超声波脉冲返回到超声波传感器的时间，可以准确地确定发射点到物体的距离。或者将时间的1/2 与空气中超声波的传播速度相乘即可得到与物体间的距离d，然后在LCD 上显示出实际的距离d。超声波探头与被测物之间的距离计算公式为：

图3 超声波测距模块电路原理图

其中，c=340 m/s，t为来回时间，s为来回距离。系统中设有定时模块，通过定时器记录开始到结束的时间，进而计算出信号的往返时间。单片机发出中断请求，运行程序。

3 个不同角度的测距传感器所测得的距离d，通过系统内部算法的处理，对传感器数据源进行分析处理，对如何执行下一步做出决策[8-11]，所测距离与传感器夹角的正弦值相乘得出高度h，即为判断距离。计算公式为：

通过公式（2）可得出相对应的h1、h2、h3，将其与设定的阈值进行比较，若h满足30 cm ≤h<50 cm，则语音循环播放“倒车请注意”，LCD 显示距离；若h<30 cm，则蜂鸣器启动报警功能，LCD 显示距离。双重报警，安全可靠。

3.2 语音、蜂鸣器报警模块

报警电路元器件采用语音芯片和蜂鸣器，语音报警电路如图4 所示，当障碍物与车的距离h满足30 cm ≤h<50 cm 时，P3.1 引脚电平拉低，触发语音芯片WT588D 发出“倒车请注意”提示，并在LCD 屏上显示距离；当h<30 cm 时，开始蜂鸣器报警，同时在LCD 屏上显示距离，提醒驾驶员已超过最终安全距离，须立刻停车。其电路原理图如图5 所示。

图4 语音报警模块电路原理图

图5 蜂鸣器报警模块电路原理图

电路的显示模块部分采用字符型显示屏LCD1602，各个字符之间保持确定的字符间隔和行距，可显示字母、数字及一些不常用的符号，其原理图如图6 所示。通过C 语言编程控制，与系统连接在一块。实时显示出车辆距离后方障碍物的距离，可达到实时监测的功能。显示器的端口RW 连接STC89C52 的引脚P0.4，当电压状态是高电平时该端口运行。STC89C52 的引脚P0.3 与LCD 的使能端连接，使能端的电平跳变为低电平时，命令开始执行，数值会在显示屏上显示出来。

图6 显示模块电路原理图

3.3 系统原理图

系统电路原理图如图7 所示，该系统选用STC89C52 为核心处理器[12]，该处理器是一种低功耗、高性能的CMOS 8 位微控制器，32 个可编程I/O口线，片内含8 kbytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和512 bytes 的随机存取数据存取器，3 个16 位定时计数器，6 个中断源，其指令代码完全兼容8051 单片机，不需专用编程器或专用仿真器，可直接使用串口下载。结合超声波测距模块、LCD 显示模块、语音报警模块、蜂鸣器报警模块，将每个部分连接起来，把h1、h2、h3与设定的阈值进行比较判断。若30 cm ≤h<50 cm，语音循环播放“倒车请注意”，LCD 显示距离；若h<30 cm，蜂鸣器触发报警功能，LCD 显示距离，提醒驾驶人注意障碍物。

图7 系统总原理图

4 程序设计

程序设计流程图如图8 所示，此程序是一个循环体，其流程为：I/O 初始化，超声波模块探测距离，LCD 显示当前距离，进行逻辑判断处理、驱动外部电路，超声波测距传感器S1、S2、S3采集距离信息，通过STC89C52 内部信息融合处理，将多个传感器提供的信息结合起来的过程称为传感器融合，使用传感器融合可以提高系统的精度和可靠性[13],且具有巨大的研究价值和应用前景。根据处理过的信息值h1、h2、h3，与设定的阈值进行比较判断。若h满足30 cm ≤h<50 cm，在设置范围内有障碍物，执行语音报警系统，语音循环播放“倒车请注意”；若h<30 cm，触发蜂鸣器报警系统，蜂鸣器报警，须即刻停车，结束程序，从而实现系统对障碍物的警报，避免碰撞，解除警报后，进行下一次的探测。

图8 程序设计流程图

5 实验测试

图9（a）未达到预警范围，LCD仅显示距离；图9（b）即h满足30 cm ≤h<50 cm，语音播放“倒车请注意”；图9（c）即h满足h<30 cm，执行蜂鸣器报警，提示驾驶员须立刻停车。

图9 LCD实验数据显示

6 结束语

文中结合倒车预警系统的发展现状，设计了基于STC89C52 多源信息融合的倒车预警系统，在数据采集与信号处理系统中，经常需要多个传感器从不同的方位测量同一个目标参数，从而得到该对象的多源信息，并将这些信息进行融合，得到比单一传感器更准确更完全的估计值[14-16]，同时结合超声波模块、LCD 显示、语音报警、蜂鸣器报警四大模块相互配合达到报警的目标。该系统的设计实现了高精度的倒车，解决了传统后视镜的局限性，极大程度上避免了与障碍物的碰撞，保障了人身财产安全。