超聲波傳感器的主要參數(shù)和測(cè)距原理

1. 超聲波傳感器的定義

聲音以波的形式傳播稱為聲波。頻率大于20000Hz的聲波稱為超聲波，頻率小于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率為20～20000Hz的聲波就是人能夠聽(tīng)見(jiàn)的聲波。

超聲波傳感器也稱超聲波雷達(dá)，它是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，是在超聲波頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或?qū)⑼饨缏晥?chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波傳感器有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭，安裝在同一面上。在有效的檢測(cè)距離內(nèi)，發(fā)射頭發(fā)射特定頻率的超聲波，遇到檢測(cè)面反射部分超聲波；接收頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時(shí)間，并計(jì)算出距離值；超聲波測(cè)距傳感器可以通過(guò)模擬接口和IIC接口兩種方式將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，如圖2-15（a）所示。圖2-15（b）所示為博世公司第6代超聲波傳感器，它將反應(yīng)時(shí)間提高了一倍，能夠?qū)嚯x物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和對(duì)突然出現(xiàn)的障礙物（如行人、變化的場(chǎng)景等）進(jìn)行快速響應(yīng)。

圖2-15　超聲波傳感器

2. 超聲波傳感器的特點(diǎn)

（1）超聲波傳感器有效探測(cè)距離一般在10m之內(nèi)，但會(huì)有一個(gè)最小探測(cè)盲區(qū)，一般為幾十毫米，如圖2-16所示。

圖2-16　超聲波傳感器的有效探測(cè)距離

（2）超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體。

（3）超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。

（4）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3. 超聲波傳感器的測(cè)距原理

超聲波傳感器適合于低速，在速度很高的情況下測(cè)量距離具有一定的局限性。這是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣热菀资芴鞖馇闆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(chē)高速行駛時(shí)，使用超聲波測(cè)距無(wú)法跟上汽車(chē)的車(chē)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，在短距離低速測(cè)量中，超聲波傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

超聲波傳感器的測(cè)距原理如圖2-17所示。超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)（空氣）傳到障礙物表面，反射后通過(guò)媒質(zhì)（空氣）傳到接收器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到障礙物表面之間的距離。設(shè)探頭到障礙物表面的距離為L(zhǎng)，超聲在空氣中的傳播速度為v（約為340m/s），從發(fā)射到接收所需的傳播時(shí)間為t，當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的距離遠(yuǎn)小于探頭到障礙物之間的距離時(shí)，則有L=vt/2。只要能測(cè)出傳播時(shí)間，即可求出測(cè)量距離

圖2-17　超聲波傳感器的測(cè)距原理

4. 超聲波傳感器的類型

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)上常見(jiàn)的超聲波傳感器有兩種。第一種是安裝在汽車(chē)前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于探測(cè)汽車(chē)前后障礙物的傳感器，探測(cè)距離一般為15～250cm，稱為PDC傳感器，也稱為UPA（駐車(chē)輔助傳感器）；第二種是安裝在汽車(chē)側(cè)面的，用于測(cè)量停車(chē)位長(zhǎng)度的超聲波傳感器，探測(cè)距離一般為30～500cm，稱為PLA傳感器，也稱為APA（泊車(chē)輔助傳感器）。如圖2-18所示的汽車(chē)配備了前后向共8個(gè)UPA，左右側(cè)共4個(gè)APA。

圖2-18　超聲波傳感器的類型

5. 超聲波傳感器的主要參數(shù)

超聲波傳感器主要有以下特性參數(shù)和性能。

（1）測(cè)量范圍。超聲波傳感器的測(cè)量范圍取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，檢測(cè)距離越大。測(cè)量汽車(chē)前后障礙物的短距超聲波傳感器探測(cè)距離一般為15～250cm；安裝在汽車(chē)側(cè)面、用于測(cè)量側(cè)方障礙物距離的長(zhǎng)距超聲波傳感器探測(cè)距離一般為30～500cm。

（2）測(cè)量精度。測(cè)量精度是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量值與真實(shí)值的偏差。超聲波傳感器測(cè)量精度主要受被測(cè)物體體積、表面形狀、表面材料等影響。被測(cè)物體體積過(guò)小、表面形狀凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會(huì)降低超聲傳感器測(cè)量精度。測(cè)量精度越高，感知信息越可靠。

（3）波束角。傳感器產(chǎn)生的聲波以一定角度向外發(fā)出，聲波沿傳感器中軸線方向上的超聲射線能量最大，能量向其他方向逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長(zhǎng)線為軸線，到一側(cè)能量強(qiáng)度減小一半處的角度稱為波束角。波束角越小，指向性越好。一些傳感器具有較窄的6°波束角，更適合精確測(cè)量相對(duì)較小的物體。一些波束角為12°～15°的傳感器能夠檢測(cè)具有較大傾角的物體

（4）工作頻率。工作頻率直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失、障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。一般選擇40kHz左右，這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。

（5）抗干擾性能。超聲波為機(jī)械波，使用環(huán)境中的噪聲會(huì)干擾超聲波傳感器接收物體反射回來(lái)的超聲波，因此要求超聲波傳感器具有一定的抗干擾能力。

6. 超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中有著廣泛的應(yīng)用，最常見(jiàn)的是自動(dòng)泊車(chē)輔助系統(tǒng)，如圖2-19所示。自動(dòng)泊車(chē)輔助系統(tǒng)通常使用12個(gè)超聲波傳感器，車(chē)前、后部各4個(gè)短距超聲波傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)倒車(chē)時(shí)與障礙物之間的距離，兩側(cè)的長(zhǎng)距超聲波傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)停車(chē)位空間。

特斯拉Model S就是主要靠攝像頭視覺(jué)圖像處理、毫米波雷達(dá)和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)傳感的，特斯拉輔助駕駛使用的硬件包括前視攝像頭、前置毫米波雷達(dá)和12個(gè)超聲波傳感器，如圖2-20所示。圖中①代表位于前后保險(xiǎn)杠附近的超聲波傳感器，②代表位于擋風(fēng)玻璃上后視鏡下方的前視攝像頭，③代表安裝在前格柵中部的雷達(dá)監(jiān)測(cè)裝置。

圖2-20　特斯拉Model S環(huán)境感知傳感器的配置什么位置？

編輯：黃飛

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