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ADAS中的超聲波傳感器，想知道的都在這兒~

時(shí)間：2020-09-23 14:38:24來源：電子創(chuàng)新網(wǎng)

導(dǎo)語：?新一代汽車是未來市場(chǎng)的一大支柱，消費(fèi)者關(guān)注的不僅僅是高性能的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車，近年來，智慧出行概念以及新一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車也備受關(guān)注。

新一代汽車是未來市場(chǎng)的一大支柱，消費(fèi)者關(guān)注的不僅僅是高性能的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車，近年來，智慧出行概念以及新一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車也備受關(guān)注。

所謂智能網(wǎng)聯(lián)汽車，是指通過搭載先進(jìn)裝置收集車體狀態(tài)和路面狀態(tài)的各種信息，融合通訊技術(shù)來提高駕駛安全性的汽車類型。

也就是說，未來的汽車要能夠眼觀六路、耳聽八方。

推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)、駕駛?cè)詣?dòng)化的核心技術(shù)被簡(jiǎn)稱為V2X：

車輛間通訊（V2V：Vehicle to Vehicle）
車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互相通信(V2I: Vehicle to Infrastructure)

V2X技術(shù)構(gòu)建高效的交通系統(tǒng)，能快速獲得即時(shí)路況，更能有效地防止交通事故等，實(shí)現(xiàn)最高階的完全自動(dòng)化駕駛（ADAS）。

其實(shí)，超聲波傳感器輔助駕駛員泊車（PAS）的歷史比車載攝像機(jī)還早一些。而現(xiàn)在，已實(shí)用的輔助駕駛?cè)詣?dòng)泊車，就是充分發(fā)揮超聲波傳感器和攝像機(jī)組合。

下面就為你介紹村田超聲波傳感器的基本知識(shí)、最新進(jìn)展、以及在ADAS中的越來越重要的應(yīng)用。

1. 什么是超聲波傳感器？

超聲波通常是指頻率超過人類聽覺系統(tǒng)的低頻可聽范圍（0 Hz至20 kHz）的聲波。

其中：

v:音速 346m/s （@25℃）
f:頻率
λ:波長(zhǎng)

超聲波的發(fā)聲原理是利用壓電陶瓷具有根據(jù)電壓方向膨脹和收縮的特征，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為陶瓷振動(dòng)，通過陶瓷的反復(fù)膨脹和收縮讓空氣振動(dòng)，并發(fā)出超聲波。

實(shí)際使用中，超聲波傳感器將電信號(hào)施加到超聲波換能器（發(fā)射器），通過膨脹和收縮壓電陶瓷，發(fā)射超聲波；然后，再由接收器接收超聲波并轉(zhuǎn)換為用于分析的電信號(hào)并加以各種應(yīng)用。

為什么利用分析超聲波信號(hào)就能檢測(cè)物體的距離、檢測(cè)物體是否存在、以及檢測(cè)物體移動(dòng)？

這是由聲波的特性所決定的。因?yàn)槁暡ǖ膫鞑ニ俣纫蚪橘|(zhì)而異，并且，聲波還具有通過介質(zhì)的聲阻抗來反射和透射的特性。比如，

音速會(huì)隨著彈性模量的增加而增加。音速＝彈性模量/密度，液體和固體中的音速比氣體更快；

空氣中的音速受溫度的影響?？諝庵械囊羲貱=331.5+0.6T [m/s]，其中，C是空氣中的音速，T是氣溫(℃)；

由于聲阻抗Zo＝ρ?Ｃ（其中ρ是介質(zhì)密度、Ｃ是介質(zhì)中的音速），所以，當(dāng)介質(zhì)的聲阻抗差較大時(shí)，反射增加，當(dāng)聲阻抗差較小時(shí)，發(fā)生透射。

不同物體由于組成材料不同，都具有其各自固有的、不同的聲阻抗和音速。也就是說，介質(zhì)中的音速、聲阻抗是表示聲音傳播容易程度的數(shù)值。反之，通過發(fā)射和收集這些參數(shù)，就能用來判斷聲波說碰到的“障礙物”界面的空間情況。

當(dāng)然，實(shí)際將聲波應(yīng)用在探測(cè)中，還必須對(duì)其方向性、分辨率和頻率衰減有更詳細(xì)的了解和建模。

◆ 方向性

超聲波傳感器具有從頂部表面開始的圓錐形方向性，將方向性定義為從正面聲壓到-6dB。與光學(xué)傳感器相比，方向性更寬，但是具有頻率越高則方向性越尖銳的特征。

◆ 分辨率：頻率越高則分辨率越高。

◆ 衰減：頻率越高則衰減越大，到達(dá)距離越短。

超聲波具有傳播速度因傳播介質(zhì)而異、方向性和分辨率因頻率而異的特性。這些性能會(huì)影響測(cè)量距離、精度和檢測(cè)范圍。

3. 超聲波的應(yīng)用

由于超聲波的傳播速度因介質(zhì)而異，導(dǎo)致在介質(zhì)之間發(fā)生超聲波透射或反射?？梢灾饕ㄟ^使用這種反射來檢測(cè)物體的存在、狀態(tài)和距離。

比如，距離可以通過測(cè)量超聲波反射時(shí)間來計(jì)算：測(cè)量從發(fā)射開始到接收到反射波為止的時(shí)間，然后：時(shí)間x音速=到物體的距離（往返）。

超聲波檢測(cè)距離的原理示意

由于不受顏色的影響，因此，即使是透明玻璃和亞克力，也可以作為反射介質(zhì)，不用識(shí)別反射材料的顏色等物理表觀性質(zhì)。這是超聲波傳感與攝像機(jī)在車載應(yīng)用中的一個(gè)顯著區(qū)別。

應(yīng)用相同傳播原理，通過識(shí)別是否有反射波可以檢測(cè)物體是否存在。因此，可以用無接觸方式檢測(cè)物體是否存在，可以在方向性范圍內(nèi)大范圍檢測(cè)是否存在物體。

超聲波還可以通過聲波的波動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。

這是因?yàn)橐苿?dòng)物體對(duì)波產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，反射波和直達(dá)波頻率不再相同。當(dāng)發(fā)射和接受分別使用不同的傳感器時(shí)，反射波和直達(dá)波的合成信號(hào)產(chǎn)生變化，利用這個(gè)聲場(chǎng)變化就能檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)。

下面，我們看看超聲波傳感器在汽車上的應(yīng)用。

4. 汽車PAS應(yīng)用

超聲波傳感器是最早的輔助駕駛應(yīng)用。汽車的停車輔助系統(tǒng)（PAS）使用超聲波傳感器測(cè)量車輛與障礙物（例如墻壁）的距離，并將接近程度通知駕駛員。

PAS系統(tǒng)工作原理大致分為以下三步：

發(fā)射脈沖信號(hào)，超聲波從障礙物反射，根據(jù)到接收到反射波為止的時(shí)間測(cè)量距離。
發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)，將發(fā)送時(shí)鐘脈沖，并使用時(shí)鐘測(cè)量時(shí)間。
反射時(shí)間(s) x 音速（340m/s）=到障礙物的距離（往返）

PAS應(yīng)用所需的特性，不僅是要能夠即時(shí)檢測(cè)到后方的墻壁等大面積的障礙，還需要判斷“緣石”的影響；另外，車載超聲波傳感器要盡量以一個(gè)裝置去覆蓋最大的面積，以減少裝置數(shù)量；

最后，PAS系統(tǒng)還需要能夠檢測(cè)到極端靠近的距離，這對(duì)所使用的超聲波傳感器的方向性能提出更高要求，即垂直方向上較窄，在水平方向上較寬，而余響時(shí)間更短。

5. 汽車ADAS應(yīng)用

自動(dòng)駕駛Level 3是ADAS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（視頻1）。從ADAS Level3開始，車輛就被真正“交給”了軟件、算法、和傳感器，產(chǎn)品和技術(shù)的性能、可靠性和精度舉足輕重。而實(shí)際上，現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)能力仍可能帶來誤差和不精準(zhǔn)，不能避免意料之外的路況造成的事故。

而當(dāng)ADAS進(jìn)入Level 4（高階自動(dòng)駕駛），駕駛員將很少參與駕駛過程，車輛進(jìn)入全自動(dòng)的巡航狀態(tài)，ADAS需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的周圍環(huán)境，使用各種傳感器，比如雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像機(jī)、超聲波傳感器。

此時(shí)，不僅對(duì)單個(gè)傳感器的性能和品質(zhì)有非常高的要求，還需要進(jìn)行軟件/算法的組合，通過組合、優(yōu)化、綜合分析各種傳感器的數(shù)據(jù)，擴(kuò)大檢測(cè)范圍，縮短盲區(qū)，提高自主駕駛的安全性。

村田的傳感技術(shù)和壓電陶瓷處理技術(shù)，很早即應(yīng)用在停車輔助系統(tǒng)（PAS），村田的超聲波傳感器在距離車輛幾米范圍內(nèi)發(fā)揮監(jiān)測(cè)作用，早已用于自動(dòng)停車系統(tǒng)，包括低速自動(dòng)駕駛。

進(jìn)入高端自動(dòng)駕駛時(shí)代，為了提高安全性，汽車行業(yè)對(duì)超聲波傳感器的要求也越來越高，不僅需要提高產(chǎn)品本身的可靠性，擴(kuò)大檢測(cè)范圍（特別是汽車周圍近距離），而且，為了快速檢測(cè)汽車周圍情況，還需要通過Coding技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)超聲波探頭同時(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境。

為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器優(yōu)異的耐久性，穩(wěn)定的近距離檢測(cè)，村田近年來從產(chǎn)品的構(gòu)造，制程開始進(jìn)行改善。目標(biāo)是，單個(gè)超聲波探頭的近距離檢測(cè)，從目前的25cm縮短到10cm以下。

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