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超聲波雷達(dá)在汽車上的應(yīng)用

2018-12-21 18:44:49·  來源：智車科技  
　
超聲波雷達(dá)是一款極其常見的傳感器。在倒車時(shí)，慢慢挪動(dòng)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(dá)的檢測距離給司機(jī)的反饋信息
超聲波雷達(dá)是一款極其常見的傳感器。在倒車時(shí)，慢慢挪動(dòng)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(dá)的檢測距離給司機(jī)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?yán)走_(dá)上。
 
它是汽車駐車或者倒車時(shí)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(dá)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(shí)的時(shí)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(dá)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(dá)數(shù)學(xué)模型
參數(shù)1：α
α是超聲波雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)在業(yè)內(nèi)使用。
類型
UPA和APA
常見的超聲波雷達(dá)有兩種。
第一種是安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于測量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)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(dá)，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(gè)UPA，左右側(cè)共4個(gè)APA。
UPA超聲波雷達(dá)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(gè)UPA的探測范圍示意圖。
APA超聲波雷達(dá)的探測距離一般在30~500cm之間。APA的探測范圍更遠(yuǎn)，因此相比于UPA成本更高，功率也更大。如圖為單個(gè)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(dá)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(yuǎn)，穿透性強(qiáng)。
測距的方法簡單，距離=傳播速度*傳播時(shí)間/2。
成本低。下圖waymo測試車車頂上的64線激光雷達(dá)，價(jià)值8萬美金。超聲波雷達(dá)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(dá)在速度很高情況下測量距離有一定的局限性，這是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣群苋菀资芴鞖馇闆r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(shí)，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實(shí)時(shí)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(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，其回波信號(hào)會(huì)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?yàn)槌晜鞑ニ俣仁芴鞖馇闆r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(dá)除了用于倒車?yán)走_(dá)距離檢測外，還主要用于
泊車庫位檢測
自動(dòng)泊車功能需要經(jīng)歷兩個(gè)階段：1.識(shí)別庫位；2.倒車入庫
汽車緩緩駛過庫位時(shí)，汽車右前方的APA傳感器返回的探測距離與時(shí)間的關(guān)系。
 
將t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的車速做積分即可得到庫位的近似長度，如果近似認(rèn)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(shí)則認(rèn)為當(dāng)前空間有車位。
 
同樣后側(cè)向的APA也會(huì)生成類似信號(hào)曲線，用以做庫位的二次驗(yàn)證。
有了庫位檢測功能，進(jìn)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(shí)代就實(shí)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(dá)，也用在了高速巡航上。
 
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