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自動(dòng)駕駛之超聲波雷達(dá)

2020-05-14 00:15:46·  來源：汽車學(xué)堂Automooc  
　
在車載傳感器中，超聲波雷達(dá)是目前最常見的品種之一，短距離測(cè)量中，超聲波測(cè)距傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。多用在倒車?yán)走_(dá)上。1.超聲波雷達(dá)工作原理超聲波雷達(dá)的工
在車載傳感器中，超聲波雷達(dá)是目前最常見的品種之一，短距離測(cè)量中，超聲波測(cè)距傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。多用在倒車?yán)走_(dá)上。
 
1.超聲波雷達(dá)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(cè)算距離。目前，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(cè)角度就越小，故一般采用 40kHz 的探頭。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(cè)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。
 
2.分類
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(cè)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(cè)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(cè)范圍和探測(cè)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)
UPA超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在15~250cm之間，主要用于測(cè)量汽車前后方的障礙物。
如圖所示，為單個(gè)UPA的探測(cè)范圍示意圖。
 
APA超聲波雷達(dá)
APA超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在30~500cm之間。APA的探測(cè)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(cè)范圍示意圖。
 
APA的探測(cè)距離優(yōu)勢(shì)讓它不僅能夠檢測(cè)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。
3.超聲波雷達(dá)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)
1優(yōu)勢(shì)
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(cè)距的方法簡(jiǎn)單，距離=傳播速度*傳播時(shí)間/2。
成本低。下圖waymo測(cè)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。
 
2劣勢(shì)
超聲波雷達(dá)在速度很高情況下測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度。但是，在短距離測(cè)量中，超聲波測(cè)距傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。
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。 
4.超聲波雷達(dá)在無人駕駛中的應(yīng)用
1泊車庫位檢測(cè)
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(cè)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(zhǎng)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(cè)的長(zhǎng)度超過車輛泊入所需的最短長(zhǎng)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(cè)功能，進(jìn)而開發(fā)自主泊車功能就不是難事了。
2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。
當(dāng)左側(cè)駛過的汽車離自車較近時(shí)，Model S在確保右側(cè)有足夠空間的情況下，自主地向右微調(diào)，降低與左側(cè)車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
5.產(chǎn)業(yè)
超聲波雷達(dá)的技術(shù)方案，一般有模擬式、四線式數(shù)位、二線式數(shù)位、三線式主動(dòng)數(shù)位，后三種在信號(hào)干擾的處理效果上依次提升，當(dāng)然價(jià)格和裝備難度也是遞增的。
 
從產(chǎn)業(yè)角度而言，博世、法雷奧是產(chǎn)業(yè)的巨頭，因?yàn)檫@兩家控制著倒車用超聲波雷達(dá)的主要市場(chǎng)，除了這兩家，國(guó)際廠商如日本村田、尼塞拉、電裝、三菱、松下等也很有影響力。國(guó)內(nèi)廠商則有臺(tái)灣同致電子、深圳航盛電子、深圳豪恩、輝創(chuàng)、上富、奧迪威等，廠商數(shù)量很多，但是少有能夠進(jìn)入汽車前裝市場(chǎng)的。同致電子就是少有的一個(gè)，同致電子主要生產(chǎn)有汽車倒車?yán)走_(dá)、遙控中控、后視攝像頭、智能車內(nèi)后視鏡等產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)各大汽車廠（如上海通用、上海大眾、東風(fēng)日產(chǎn)、上海汽車、神龍汽車、奇瑞汽車、吉利汽車、福特汽車等）的供應(yīng)商，也是目前亞洲倒車?yán)走_(dá) OEM 市場(chǎng)第一供應(yīng)商。
1.博世公司
博世公司有超聲波雷達(dá)、倒車?yán)走_(dá)、半自動(dòng)泊車、全自動(dòng)泊車，超聲波雷達(dá)增加整個(gè)探測(cè)范圍，提高刷新時(shí)間，每一個(gè)超聲波雷達(dá)有一個(gè)代碼，避免超聲波雷達(dá)有噪音，可以更加精準(zhǔn)。第六代超聲波雷達(dá)可以很好的識(shí)別第五代產(chǎn)品無法識(shí)別的低矮物體。博世車用超聲波傳感器的檢測(cè)范圍為20~450厘米。
2.法雷奧
法雷奧的超聲波雷達(dá)已經(jīng)有十年的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，短距超聲波雷達(dá)覆蓋范圍為（2-4m）。其最新一代的自動(dòng)泊車系統(tǒng)Park4U，就是基于超聲波雷達(dá)，有平行與轉(zhuǎn)角的兩種泊車模式。車身前后只需留出40厘米的空間，該系統(tǒng)就能夠自動(dòng)完成泊車過程。其客戶有路虎、起亞、大眾途安等眾多OEM廠商。
3.同致電子
同致電子主要生產(chǎn)有汽車倒車?yán)走_(dá)、遙控中控、后視攝像頭、智能車內(nèi)后視鏡等產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)各大汽車廠（如上海通用、上海大眾、東風(fēng)日產(chǎn)、上海汽車、神龍汽車、奇瑞汽車、吉利汽車、福特汽車等）的供應(yīng)商，也是目前亞洲倒車?yán)走_(dá)OEM市場(chǎng)第一供應(yīng)商。
4.廣州奧迪威
廣州奧迪威是一家成立19年的公司，UPA超聲波傳感器為奧迪威主營(yíng)產(chǎn)品之一，2017年奧迪威銷售超聲波傳感器近3000萬支，中國(guó)汽車市場(chǎng)占有率達(dá)到近三成，全球汽車倒車?yán)走_(dá)傳感器市場(chǎng)占有率約9.59%。
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