自動(dòng)駕駛技術(shù)的傳感器超聲波雷達的詳細介紹和應用的資料概述

常見(jiàn)的超聲波雷達有兩種。第一種是安裝在汽車(chē)前后保險杠上的，也就是用于測量汽車(chē)前后障礙物的倒車(chē)雷達，這種雷達業(yè)內稱(chēng)為UPA；第二種是安裝在汽車(chē)側面的，用于測量側方障礙物距離的超聲波雷達，業(yè)內稱(chēng)為APA?？蓱糜诓窜?chē)庫位檢測和高速橫向輔助。

今天介紹的是一款極其常見(jiàn)的傳感器——超聲波雷達。如果你覺(jué)得超聲波雷達有些陌生，那么它還有一個(gè)更通俗的名字——倒車(chē)雷達。

在倒車(chē)入庫，慢慢挪動(dòng)車(chē)子的過(guò)程中，在駕駛室內能聽(tīng)到”滴滴滴“的聲音，這些聲音就是根據超聲波雷達的檢測距離給司機的反饋信息。

車(chē)載的超聲波雷達一般安裝在汽車(chē)的保險杠上方，隱藏在保險杠的某個(gè)位置。在車(chē)上外觀(guān)如下圖黃色箭頭處的圓點(diǎn)所示。

超聲波雷達未安裝時(shí)的模樣如下：

超聲波雷達的類(lèi)型

常見(jiàn)的超聲波雷達有兩種。第一種是安裝在汽車(chē)前后保險杠上的，也就是用于測量汽車(chē)前后障礙物的倒車(chē)雷達，這種雷達業(yè)內稱(chēng)為UPA；第二種是安裝在汽車(chē)側面的，用于測量側方障礙物距離的超聲波雷達，業(yè)內稱(chēng)為APA。

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

UPA超聲波雷達

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(chē)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

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(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的障礙物，而且還能根據超聲波雷達返回的數據判斷停車(chē)庫位是否存在。

超聲波雷達的數學(xué)模型

雖然UPA和APA無(wú)論在探測距離還是探測形狀上區別很大，但是它們依然可以用同樣的數學(xué)模型描述，描述一個(gè)超聲波雷達的狀態(tài)需要如下四個(gè)參數，其數學(xué)模型的示意圖如下。

參數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(guò)7m的APA雷達在業(yè)內使用。

超聲波雷達的特性

特性一：溫度敏感

超聲波雷達的測距原理和之前介紹的激光雷達、毫米波雷達類(lèi)似，距離=傳播速度*傳播時(shí)間/2。不同的是激光雷達和毫米波雷達的波速都為光速，而超聲波雷達的波速跟溫度有關(guān)。近似關(guān)系如下：

C = C0 + 0.607 ? T，C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s，T為溫度(單位：℃)。

例如，溫度在0℃時(shí)，超聲波的傳播速度為332m/s；溫度在30℃時(shí)，超聲波的傳播速度為350m/s。相同相對位置的障礙物，在不同溫度的情況下，測量的距離不同。

對傳感器精度要求極高的自動(dòng)駕駛系統來(lái)說(shuō)，要么選擇將超聲波雷達的測距進(jìn)行保守計算；要么將溫度信息引入自動(dòng)駕駛系統，提升測量精度。

特性二：無(wú)法精確描述障礙物位置

超聲波雷達在工作時(shí)會(huì )返回一個(gè)探測距離的值，如圖所示。處于A(yíng)處和處于B處的障礙物都會(huì )返回相同的探測距離d。所以在僅知道探測距離d的情況下，通過(guò)單個(gè)雷達的信息是無(wú)法確定障礙物是在A(yíng)處還是在B處的。

超聲波雷達的應用

本文標題提到超聲波雷達是被低估的傳感器，因為它除了檢測障礙物外，還可以做很多事。

應用1：泊車(chē)庫位檢測

自動(dòng)泊車(chē)功能需要經(jīng)歷兩個(gè)階段：1.識別庫位；2.倒車(chē)入庫

識別庫位功能就是依賴(lài)安裝在車(chē)輛側方的APA，如下場(chǎng)景。

汽車(chē)緩緩駛過(guò)庫位時(shí)，汽車(chē)右前方的APA傳感器返回的探測距離與時(shí)間的關(guān)系大致如下圖：

將t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的車(chē)速做積分即可得到庫位的近似長(cháng)度，如果近似認為汽車(chē)為勻速行駛，直接用車(chē)速乘以(t2-t1)即可。當檢測的長(cháng)度超過(guò)車(chē)輛泊入所需的最短長(cháng)度時(shí)則認為當前空間有車(chē)位。

同樣后側向的APA也會(huì )生成類(lèi)似信號曲線(xiàn)，用以做庫位的二次驗證。

有了庫位檢測功能，進(jìn)而開(kāi)發(fā)自主泊車(chē)功能就不是難事了。