在上一次分享中，我介紹了毫米波雷達(dá)的原理、數(shù)據(jù)特性及優(yōu)缺點(diǎn)。毫米波雷達(dá)的低環(huán)境敏感和低成本的特性使得其在ADAS和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　今天要介紹的是一款極其常見的傳感器——超聲波雷達(dá)。如果你覺得超聲波雷達(dá)有些陌生，那么它還有一個(gè)更通俗的名字——倒車?yán)走_(dá)。

　　在倒車入庫(kù)，慢慢挪動(dòng)車子的過程中，在駕駛室內(nèi)能聽到”滴滴滴“的聲音，這些聲音就是根據(jù)超聲波雷達(dá)的檢測(cè)距離給司機(jī)的反饋信息。

　　車載的超聲波雷達(dá)一般安裝在汽車的保險(xiǎn)杠上方，隱藏在保險(xiǎn)杠的某個(gè)位置。在車上外觀如下圖黃色箭頭處的圓點(diǎn)所示。

　　超聲波雷達(dá)未安裝時(shí)的模樣如下：

圖片出處：https://www.aliexpress.com/item/New-Parking-Sensor-Car-Reverse-Back-Up-Ultrasonic-Radar-G0448-P/32382592684.html

　　正文

　　超聲波雷達(dá)的類型

　　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(kù)位是否存在。

　　超聲波雷達(dá)的數(shù)學(xué)模型

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

　　參數(shù)1：α

　　α是超聲波雷達(dá)的探測(cè)角，一般UPA的探測(cè)角為120°左右，APA的探測(cè)角比UPA小，大概為80°。

　　參數(shù)2：β

　　β是超聲波雷達(dá)檢測(cè)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(cè)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。

　　超聲波雷達(dá)的特性

　　特性一：溫度敏感

　　超聲波雷達(dá)的測(cè)距原理和之前介紹的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)類似，距離=傳播速度*傳播時(shí)間/2。不同的是激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的波速都為光速，而超聲波雷達(dá)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(duì)位置的障礙物，在不同溫度的情況下，測(cè)量的距離不同。

　　對(duì)傳感器精度要求極高的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來說，要么選擇將超聲波雷達(dá)的測(cè)距進(jìn)行保守計(jì)算;要么將溫度信息引入自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，提升測(cè)量精度。

　　特性二：無法精確描述障礙物位置

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

　　超聲波雷達(dá)的應(yīng)用

　　本文標(biāo)題提到超聲波雷達(dá)是被低估的傳感器，因?yàn)樗藱z測(cè)障礙物外，還可以做很多事。

　　應(yīng)用1：泊車庫(kù)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(kù)位;2.倒車入庫(kù)

　　識(shí)別庫(kù)位功能就是依賴安裝在車輛側(cè)方的APA，如下場(chǎng)景。

　　圖片出處：http://articles.sae.org/7477/

　　汽車緩緩駛過庫(kù)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)系大致如下圖：

　　將t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的車速做積分即可得到庫(kù)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(kù)位的二次驗(yàn)證。

　　有了庫(kù)位檢測(cè)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。

　　先看一段Model S應(yīng)用APA的視頻，視頻左下角的圖像是一個(gè)朝汽車后向的攝像機(jī)，右側(cè)的圖像是朝向行駛方向的視角。

　　在視頻中可以看出，當(dāng)左側(cè)駛過的汽車?yán)碜攒囕^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)。

　　小結(jié)

　　以上內(nèi)容基本能讓大家了解超聲波雷達(dá)的數(shù)據(jù)及工作方式了。作為無人車上成本最低的傳感器，挖掘超聲波雷達(dá)的潛力是工程師們睡覺都在琢磨的事。