一種基于超聲波傳感器的車輛涉水深度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張 樂

（同致電子科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

汽車作為人們?nèi)粘＝煌üぞ?，截止?021 年，全國汽車保有量超過4 億輛，各類城市交通擁堵情況尤為嚴重。而在陰雨天，在不明深度的積水中駕駛車輛是一種非常危險的行為，輕則導(dǎo)致車輛熄火甚至追尾，重則導(dǎo)致車輛溺水，危及駕駛?cè)藛T的生命安全。2022 年6 月20 日，廣西柳州市普降大暴雨，造成城市主干道嚴重積水，引發(fā)6 車連撞重大交通事故。2021 年7 月29 日，江蘇省淮安市暴雨來襲導(dǎo)致很多道路積水嚴重，造成車主通過積水時困在新長鐵路橋涵洞下。這些事故發(fā)生的原因是駕駛?cè)笋{駛車輛遇到積水路面時，因不能獲取積水深度而貿(mào)然行駛而帶來嚴重的后果。目前，針對這一難題尚沒有較好的解決辦法。只能憑借駕駛員的經(jīng)驗定性判斷，該方法見效緩慢，易導(dǎo)致交通阻塞，精準度不高易造成車主涉險，嚴重威脅車輛和人員的安全。

因此，該文作者設(shè)計了一套基于超聲波傳感器的車輛涉水深度檢測系統(tǒng)，利用超聲波測距原理即時檢測路面積水深度，并將深度信息及報警信息快速回傳駕駛員，便于駕駛員準確地對當(dāng)前情況進行預(yù)判，以達到安全駕駛的目的。

1 檢測原理

1.1 超聲波測距原理

超聲波是指頻率高于20 kHz 的機械波。它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速等。基于該原理，超聲波傳感器應(yīng)運而生，超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)將電能和機械能（超聲波）進行相互轉(zhuǎn)換，進而發(fā)出超聲波和接收超聲波，其在汽車行業(yè)的典型應(yīng)用是倒車雷達。如圖1 所示，超聲波傳感器固定在車輛車尾某位置，當(dāng)車輛在倒車時，倒車雷達隨即啟動，超聲波傳感器發(fā)出超聲波，超聲波在空氣傳播一段距離碰到障礙物表面時會發(fā)生反射，此時反射回波繼續(xù)在空氣傳播，直到被超聲波傳感器接收。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為，從超聲傳感器發(fā)出超聲波到接收反射回波共用時間為，設(shè)該障礙物距離傳感器的距離為，則如公式（1）所示。

圖1 倒車雷達測距示意圖

式中：為超聲波在空氣中的傳播速度；為超聲傳感器發(fā)出超聲波到接收反射回波共用時間；為障礙物距離傳感器的距離。

倒車雷達系統(tǒng)通過公式（1）可瞬時計算出車尾與障礙物之間的距離。報警圖像一般按照由遠及近分別由綠、黃和紅色標示，與之對應(yīng)的聲音報警為間歇、急促和長鳴。當(dāng)距離障礙物的距離進入預(yù)定的距離分段后，系統(tǒng)迅速通過聲音或圖像方式進行分段報警，駕駛員即可根據(jù)報警選擇繼續(xù)倒車或立即停車，實現(xiàn)安全駕駛。

1.2 超聲波涉水深度檢測原理

超聲波涉水深度檢測基本原理圖如圖2 所示。超聲波傳感器安裝在車外后視鏡中，其離地高度為固定值。當(dāng)駕駛員駕駛車輛通過積水路面時，即可通過語音或多媒體等手段開啟涉水檢測系統(tǒng)，超聲波傳感器發(fā)出超聲波，遇到積水表面發(fā)生聲波反射，反射回波再被傳感器接收回來，根據(jù)公式（2）可計算出超聲波傳感器距離積水表面的距離為。此時積水深度為，從圖2 中簡單的幾何關(guān)系可以知道，積水深度如公式（2）所示。

圖2 超聲波涉水深度檢測基本原理圖

式中：為超聲波傳感器距離積水表面的距離；為積水深度；為超聲波傳感器到地面的距離。

由此可知，與倒車雷達測距直接得出距離不同，涉水深度是通過已知傳感器安裝高度減去檢測到的距離積水路面的高度得出來的結(jié)果，但兩者應(yīng)用的原理是一致的。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

整車布置圖如圖3 所示，涉及與關(guān)聯(lián)模塊的交互，2 個超聲波傳感器位于車輛的兩側(cè)，其供電（POWER 和GND）、通信信號（CAN）和整車系統(tǒng)的引擎控制模塊（ECM）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）、車身電子域控制器（KBCM）以及多媒體大屏（HUT）連接，保證整車系統(tǒng)安全。如圖4 所示，系統(tǒng)構(gòu)成圖主要包括2 個超聲波傳感器，并且兩者是通過CAN 總線連接和通信?；诔暡▊鞲衅鞯纳嫠畽z測系統(tǒng)采用低成本的無主機方案，由1個主超聲波傳感器和1 個從超聲波傳感器組成，其中主、從超聲波傳感器之間通過LIN 通信完成數(shù)據(jù)交互。主傳感器負責(zé)主、從傳感器探測到的障礙物信息處理，并通過CAN與車身通信。

圖3 整車布置示意圖

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成圖

當(dāng)需要測量積水深度時，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號，通過超聲波傳感器傳感器接收超聲波信號，并將通過主、從超聲波傳感器采集的信息判斷積水深度。該文提出的檢測系統(tǒng)區(qū)別于單片機的信息處理方式，需要先進行濾波去噪處理，通過處理和計算發(fā)射聲波和反射回波的波峰和波谷，通過對比判讀是否存在積水和積水深度，并和安全水深進行比較。當(dāng)處于安全水位時不報警；達到危險水位時，發(fā)出警報聲，并同步到顯示屏界面上。需要指出的是，無論是否處于危險水深，其水深均會同步到顯示屏上，保證安全駕駛。

從傳感器由主傳感器控制實現(xiàn)障礙物探測并回傳障礙物信息給主傳感器。此系統(tǒng)采用無主機方案，主超聲波傳感器額外集成了MCU 和CAN 收發(fā)器，替代了傳統(tǒng)的有主機方案的主機，因此減少了主機安裝位置及安裝時間，同時也減少了線束長度，有效節(jié)約了成本。

2.2 傳感器安裝要求

為避免車身對傳感器檢測的干擾，傳感器安裝需要滿足一定的安裝要求。傳感器安裝示意圖如圖5 所示，其中線為過傳感器中心垂直于地面的線，線為傳感器軸線，為過傳感器中心垂直與地面的線與車側(cè)邊最外沿的間距，為線與線的夾角。

圖5 傳感器安裝示意圖

2.3 系統(tǒng)功能邏輯

系統(tǒng)功能邏輯圖如圖6 所示。當(dāng)車輛即將進入積水路面時，駕駛員可通過語音開啟或多媒體手段開啟涉水深度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)接收道路坡度信息、車輛行駛速度等車身信號并判定系統(tǒng)是否需要激活。如果滿足激活條件，系統(tǒng)隨即通過安裝在車輛兩邊外后視鏡中的超聲波傳感器進行下方路面積水探測，并即時分析超聲波數(shù)據(jù)，進行涉水深度計算，結(jié)合預(yù)先設(shè)置的警戒深度進行涉水危險判斷，采取屏幕顯示或聲音報警等形式向駕駛員通報涉水狀態(tài)及報警信息，以便駕駛員做出決策。

圖6 系統(tǒng)功能邏輯圖

2.4 超聲波水面檢測數(shù)據(jù)處理與預(yù)警

為了更好地分析波形數(shù)據(jù)獲得準確結(jié)果，此系統(tǒng)采用讀原始模擬信號回波方式。試驗過程中超聲傳感器接收的原始回波及反射回波示意圖如圖7 所示。圖中橫軸表示通過LIN通信獲取的波形點的個數(shù)，因為點與點之間的間隔是固定的，所以橫軸最終轉(zhuǎn)換為波形傳播的時間，圖7 所示波形為所有點與點構(gòu)成的曲線圖；縱軸表示聲波的幅值，幅值表示聲波的能量大小，存在2 處幅值較大的波峰（發(fā)射聲波和反射聲波）。除此之外，還分布著許多幅值較小的波峰，這就是白噪聲干擾。不同于數(shù)字信號，該系統(tǒng)采用讀模擬信號方式讀取信號，并基于以下方法進行處理。

圖7 傳感器接收的原始回波示意圖

回波處理流程圖如圖8 所示。首先，系統(tǒng)通過LIN 通信獲得的原始波形要通過濾波處理，剔除部分白噪聲的同時獲得較平滑的回波。其次，通過尋找波峰波谷的方式找出發(fā)射聲波和反射回波，進而通過波峰確定時域?qū)挾燃盎夭▊€數(shù)。再次，通過對反射回波進行分析，確定是否滿足回波門限及水面障礙物門限。如果回波狀態(tài)滿足，則采用多次比對以確定是否為積水路面。為保證計算準確性，系統(tǒng)還結(jié)合道路坡度情況進行校正。最后，系統(tǒng)將即時把計算獲得的路面積水深度與預(yù)先設(shè)置的安全積水深度做比較，如果當(dāng)前積水深度處于安全積水深度范圍內(nèi)，則系統(tǒng)不發(fā)送聲音報警，僅發(fā)送涉水深度；如果當(dāng)前積水深度超出安全積水深度范圍，則系統(tǒng)判定當(dāng)前駕駛狀態(tài)為危險駕駛，并將涉水深度及聲音報警同步傳送至多媒體顯示屏，由多媒體顯示屏進行顯示報警和聲音報警，駕駛員即可通過報警信息選擇立即停車或者向后倒車，實現(xiàn)安全駕駛。

圖8 回波處理流程圖

3 結(jié)語

該文針對車輛在駕駛過程中遇到積水路面如何保證安全通過的問題，提出了一種利用超聲波傳感器的車輛涉水深度檢測系統(tǒng)設(shè)計方法。它的主要亮點如下。1） 采用無主機方式，無須預(yù)留主機布置位置，通過借助車輛本身結(jié)構(gòu)特點，將超聲傳感器布置在車身左右后視鏡上，既達到了安裝目的，又減少了對車輛本身結(jié)構(gòu)的損害。2） 通過借助超聲傳感器在無損檢測方面的利用，將原本費時費力的路面積水深度人工檢測轉(zhuǎn)換成無接觸、響應(yīng)快、結(jié)果準確的自動檢測，極大地降低了駕駛風(fēng)險，提高了車輛通行效率。3） 通過采用聲音預(yù)警或多媒體顯示屏預(yù)警等方式，為駕駛員提供多角度駕駛信息，解放了駕駛員雙手，有力地確保了駕駛安全。

總之，該方法原理簡單，設(shè)計巧妙，成本較低，可行性好，為現(xiàn)階段車輛駕駛遇積水路段存在的安全隱患提供了一種切實可行的解決辦法，極大地提升了車輛安全駕駛能力，有效避免了危險駕駛事故的發(fā)生。