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自动驾驶之超声波雷达

2020-05-14 00:15:46·  来源：汽车学堂Automooc  
　
在车载传感器中，超声波雷达是目前最常见的品种之一，短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。多用在倒车雷达上。1.超声波雷达工作原理超声波雷达的工
在车载传感器中，超声波雷达是目前最常见的品种之一，短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。多用在倒车雷达上。
 
1.超声波雷达工作原理
超声波雷达的工作原理是通过超声波发射装置向外发出超声波，到通过接收器接收到发送过来超声波时的时间差来测算距离。目前，常用探头的工作频率有 40kHz, 48kHz 和 58kHz 三种。一般来说，频率越高，灵敏度越高，但水平与垂直方向的探测角度就越小，故一般采用 40kHz 的探头。超声波雷达防水、防尘，即使有少量的泥沙遮挡也不影响。探测范围在 0.1-3 米之间，而且精度较高，因此非常适合应用于泊车。
 
2.分类
常见的超声波雷达有两种。第一种是安装在汽车前后保险杠上的，也就是用于测量汽车前后障碍物的倒车雷达，这种雷达业内称为UPA；第二种是安装在汽车侧面的，用于测量侧方障碍物距离的超声波雷达，业内称为APA。
UPA和APA的探测范围和探测区域都太相同，如下图所示。图中的汽车配备了前后向共8个UPA，左右侧共4个APA。
 
UPA超声波雷达
UPA超声波雷达的探测距离一般在15~250cm之间，主要用于测量汽车前后方的障碍物。
如图所示，为单个UPA的探测范围示意图。
 
APA超声波雷达
APA超声波雷达的探测距离一般在30~500cm之间。APA的探测范围更远，因此相比于UPA成本更高，功率也更大。
如图为单个APA的探测范围示意图。
 
APA的探测距离优势让它不仅能够检测左右侧的障碍物，而且还能根据超声波雷达返回的数据判断停车库位是否存在。
3.超声波雷达优势与劣势
1优势
超声波的能量消耗较缓慢，在介质中传播的距离比较远，穿透性强。
测距的方法简单，距离=传播速度*传播时间/2。
成本低。下图waymo测试车车顶上的64线激光雷达，价值8万美金。超声波雷达只需要几十元人民币，且技术成熟稳定。
 
2劣势
超声波雷达在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，这是因为超声波的传输速度很容易受天气情况的影响，在不同的天气情况下，超声波的传输速度不同，而且传播速度较慢，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。
另一方面，超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较弱，影响测量精度。但是，在短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。
在车速很高的情况下有局限性，因为超声传播速度受天气情况影像，不同天气，不同传播速度，且传播速度的慢。15度左右为340米/秒，温度越高速度越快。 
4.超声波雷达在无人驾驶中的应用
1泊车库位检测
自动泊车功能需要经历两个阶段：1.识别库位；2.倒车入库
 
汽车缓缓驶过库位时，汽车右前方的APA传感器返回的探测距离与时间的关系。
将t1时刻到t2时刻的车速做积分即可得到库位的近似长度，如果近似认为汽车为匀速行驶，直接用车速乘以(t2-t1)即可。当检测的长度超过车辆泊入所需的最短长度时则认为当前空间有车位。
同样后侧向的APA也会生成类似信号曲线，用以做库位的二次验证。
有了库位检测功能，进而开发自主泊车功能就不是难事了。
2高速横向辅助
 
特斯拉Model S在AutoPilot 1.0时代就实现了高速公路的巡航功能，为了增加高速巡航功能的安全性和舒适性，特斯拉将用于泊车的APA超声波雷达，也用在了高速巡航上。
当左侧驶过的汽车离自车较近时，Model S在确保右侧有足够空间的情况下，自主地向右微调，降低与左侧车辆的碰撞风险。
5.产业
超声波雷达的技术方案，一般有模拟式、四线式数位、二线式数位、三线式主动数位，后三种在信号干扰的处理效果上依次提升，当然价格和装备难度也是递增的。
 
从产业角度而言，博世、法雷奥是产业的巨头，因为这两家控制着倒车用超声波雷达的主要市场，除了这两家，国际厂商如日本村田、尼塞拉、电装、三菱、松下等也很有影响力。国内厂商则有台湾同致电子、深圳航盛电子、深圳豪恩、辉创、上富、奥迪威等，厂商数量很多，但是少有能够进入汽车前装市场的。同致电子就是少有的一个，同致电子主要生产有汽车倒车雷达、遥控中控、后视摄像头、智能车内后视镜等产品，是国内各大汽车厂（如上海通用、上海大众、东风日产、上海汽车、神龙汽车、奇瑞汽车、吉利汽车、福特汽车等）的供应商，也是目前亚洲倒车雷达 OEM 市场第一供应商。
1.博世公司
博世公司有超声波雷达、倒车雷达、半自动泊车、全自动泊车，超声波雷达增加整个探测范围，提高刷新时间，每一个超声波雷达有一个代码，避免超声波雷达有噪音，可以更加精准。第六代超声波雷达可以很好的识别第五代产品无法识别的低矮物体。博世车用超声波传感器的检测范围为20~450厘米。
2.法雷奥
法雷奥的超声波雷达已经有十年的量产经验，短距超声波雷达覆盖范围为（2-4m）。其最新一代的自动泊车系统Park4U，就是基于超声波雷达，有平行与转角的两种泊车模式。车身前后只需留出40厘米的空间，该系统就能够自动完成泊车过程。其客户有路虎、起亚、大众途安等众多OEM厂商。
3.同致电子
同致电子主要生产有汽车倒车雷达、遥控中控、后视摄像头、智能车内后视镜等产品，是国内各大汽车厂（如上海通用、上海大众、东风日产、上海汽车、神龙汽车、奇瑞汽车、吉利汽车、福特汽车等）的供应商，也是目前亚洲倒车雷达OEM市场第一供应商。
4.广州奥迪威
广州奥迪威是一家成立19年的公司，UPA超声波传感器为奥迪威主营产品之一，2017年奥迪威销售超声波传感器近3000万支，中国汽车市场占有率达到近三成，全球汽车倒车雷达传感器市场占有率约9.59%。
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