超聲波雷達在汽車上的應(yīng)用

超聲波雷達是一款極其常見的傳感器。在倒車時，慢慢挪動車子的過程中，在駕駛室內(nèi)能聽到“滴滴滴”的蜂鳴聲，這些聲音就是根據(jù)超聲波雷達的檢測距離給司機的反饋信息。

短距離測量中，超聲波測距傳感器具有非常大的優(yōu)勢。多用在倒車雷達上。

它是汽車駐車或者倒車時的安全輔助裝置，幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷。

工作原理

超聲波雷達的工作原理是通過超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，到通過接收器接收到發(fā)送過來超聲波時的時間差來測算距離。

常用探頭的工作頻率有 40kHz, 48kHz 和 58kHz 三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測角度就越小，故一般采用 40kHz 的探頭。成本于探測距離成正比。

超聲波雷達防水、防塵，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。探測范圍在 0.1-3 米之間，而且精度較高，因此非常適合應(yīng)用于泊車。

超聲波雷達數(shù)學(xué)模型

參數(shù)1：α

α是超聲波雷達的探測角，一般UPA的探測角為120°左右，APA的探測角比UPA小，大概為80°。

參數(shù)2：β

β是超聲波雷達檢測寬度范圍的影響因素之一，該角度一般較小。UPA的β角為20°左右，APA的β角比較特殊，為0°。

參數(shù)3：R

R也是超聲波雷達檢測寬度范圍的影響因素之一，UPA和APA的R值差別不大，都在0.6m左右。

參數(shù)4：D

D是超聲波雷達的最大量程。UPA的最大量程為2米~2.5米，APA的最大量程至少是5米，目前已有超過7m的APA雷達在業(yè)內(nèi)使用。

類型

UPA和APA

常見的超聲波雷達有兩種。

第一種是安裝在汽車前后保險杠上的，也就是用于測量汽車前后障礙物的倒車雷達，這種雷達業(yè)內(nèi)稱為UPA；

第二種是安裝在汽車側(cè)面的，用于測量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達，業(yè)內(nèi)稱為APA。

UPA和APA的探測范圍和探測區(qū)域都太相同，如下圖所示。圖中的汽車配備了前后向共8個UPA，左右側(cè)共4個APA。

UPA超聲波雷達的探測距離一般在15~250cm之間，主要用于測量汽車前后方的障礙物。如圖所示，為單個UPA的探測范圍示意圖。

APA超聲波雷達的探測距離一般在30~500cm之間。APA的探測范圍更遠，因此相比于UPA成本更高，功率也更大。如圖為單個APA的探測范圍示意圖。APA的探測距離優(yōu)勢讓它不僅能夠檢測左右側(cè)的障礙物，而且還能根據(jù)超聲波雷達返回的數(shù)據(jù)判斷停車庫位是否存在。

優(yōu)勢與劣勢

優(yōu)勢

超聲波的能量消耗較緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離比較遠，穿透性強。

測距的方法簡單，距離=傳播速度*傳播時間/2。

成本低。下圖waymo測試車車頂上的64線激光雷達，價值8萬美金。超聲波雷達只需要幾十元人民幣，且技術(shù)成熟穩(wěn)定。

劣勢

超聲波雷達在速度很高情況下測量距離有一定的局限性，這是因為超聲波的傳輸速度很容易受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當(dāng)汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大。

另一方面，超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠距離的目標(biāo)時，其回波信號會比較弱，影響測量精度。但是，在短距離測量中，超聲波測距傳感器具有非常大的優(yōu)勢。

在車速很高的情況下有局限性，因為超聲傳播速度受天氣情況影像，不同天氣，不同傳播速度，且傳播速度的慢。15度左右為340米/秒，溫度越高速度越快。

應(yīng)用

泊車庫位檢測、高速橫向輔助

超聲波雷達除了用于倒車雷達距離檢測外，還主要用于

泊車庫位檢測

自動泊車功能需要經(jīng)歷兩個階段：1.識別庫位；2.倒車入庫

汽車緩緩駛過庫位時，汽車右前方的APA傳感器返回的探測距離與時間的關(guān)系。

將t1時刻到t2時刻的車速做積分即可得到庫位的近似長度，如果近似認為汽車為勻速行駛，直接用車速乘以(t2-t1)即可。當(dāng)檢測的長度超過車輛泊入所需的最短長度時則認為當(dāng)前空間有車位。

同樣后側(cè)向的APA也會生成類似信號曲線，用以做庫位的二次驗證。

有了庫位檢測功能，進而開發(fā)自主泊車功能就不是難事了。

高速橫向輔助

特斯拉Model S在AutoPilot 1.0時代就實現(xiàn)了高速公路的巡航功能，為了增加高速巡航功能的安全性和舒適性，特斯拉將用于泊車的APA超聲波雷達，也用在了高速巡航上。