自动驾驶系列—超声波雷达技术详解：自动驾驶中的短距离感知利器
自动驾驶系列—超声波雷达技术详解：自动驾驶中的短距离感知利器
在自动驾驶和智能驾驶辅助系统中，超声波雷达（Ultrasonic Sensors，USS）主要用于短距离的障碍物检测。由于其较低的成本和良好的性能，超声波雷达广泛应用于泊车辅助、倒车雷达等功能。本文将详细介绍超声波雷达的工作原理、分类、应用类型及其在自动驾驶领域的应用。
工作原理
超声波雷达通过发射超声波并接收其反射信号来测量障碍物的距离，其工作原理可分为以下几个关键步骤：
发射超声波：超声波发射器向特定方向发射大约40kHz的超声波信号。该频率通常在超声波范围内，超过了人类的听觉范围，因此不会对驾驶员和行人造成干扰。发射器会以一定的间隔周期性发射信号，确保实时更新周围环境的感知。
传播与反射：发射的超声波在空气中传播，速度大约为340米/秒。当超声波遇到障碍物时，部分声波会被反射回来。障碍物的材质、大小以及形状都会影响反射信号的强度和精度。例如，平坦的金属表面会反射出较强的信号，而不规则的表面则可能会导致信号散射，影响回波的精确性。
接收反射信号：超声波雷达的接收器负责捕捉从障碍物反射回来的超声波信号。为了避免接收到噪音干扰，接收器在发射器每次发射超声波信号后会立即进入待命状态，准备接收回波信号。雷达能够通过分析回波的强弱和时长来区分不同的障碍物。
计算距离：通过测量从发射到接收到回波信号的时间差，雷达可以利用公式
s = 340t / 2
计算出障碍物的距离（t为时间差，340m/s 为超声波在空气中的传播速度）。这个公式中的 “2” 是因为超声波从发射器到障碍物再反射回来，实际行程是两倍距离。该计算过程能够实时进行，以确保系统快速响应。障碍物位置与反应：通过不断发射和接收超声波信号，雷达系统可以动态更新障碍物的距离信息，并在车载系统中进行相应处理。如果距离过近，系统可能会触发相应的警报或自动控制功能，如倒车报警或自动刹车。
超声波雷达的探测原理简单且可靠，尤其适用于车辆在低速行驶或静止状态下的短距离感知。由于其波长较长且能量密度相对较低，超声波雷达主要用于低速泊车场景和短距离障碍物检测，弥补了其他传感器在近距离环境感知中的不足。
分类
根据安装位置和应用场景，超声波雷达可分为以下两类：
UPA（Ultrasonic Parking Assistant）：安装在汽车的前后保险杠上，用于倒车雷达和驻车辅助，最大探测距离约为2.5米。
APA（Automatic Parking Assistant）：安装在汽车的侧面，用于自动泊车辅助，能够检测侧方障碍物，最大探测距离可达5米以上。
应用类型
超声波雷达在自动驾驶和智能驾驶辅助系统中的常见应用场景包括：
倒车辅助：通过后置超声波雷达感知车辆后方障碍物，发出倒车警告或自动刹车。
泊车位检测：超声波雷达能够帮助车辆识别泊车位的大小和位置，并辅助自动泊车系统。
高速横向辅助：在较高车速下，侧面超声波雷达用于监测盲区，并提供盲点预警。
核心关键指标
选择超声波雷达时需要关注以下核心技术指标：
测距精度：通常为1-3厘米，影响车辆在狭小空间内的安全性。
探测角度：UPA的探测角度通常为120°，APA的探测角度为80°左右，影响检测范围的广度。
探测范围：UPA的探测范围一般为0.6-2.5米，APA则可达到5米以上，适用于不同的驾驶场景。
温度依赖性：超声波的传播速度受温度影响较大，温度越高，超声波传播速度越快，必须对传感器进行温度补偿。
优缺点
优点
低成本：超声波雷达的成本较低，适合大规模应用。
不受光线影响：无论白天还是夜晚，超声波雷达的性能都不受光线条件的影响。
能量消耗低：超声波雷达的能耗较低，适合全天候工作。
缺点
探测距离有限：超声波雷达的探测距离较短，通常不超过5米，因此仅适用于低速驾驶或泊车场景。
受温度影响：超声波的传播速度受温度影响，需进行温度补偿。
散射角大：超声波的散射角较大，无法精确描述复杂障碍物的形状和位置。
选型指南
在选择超声波雷达时，需要根据具体应用场景和需求选择合适的产品：
探测范围：对于自动泊车和低速倒车场景，建议选择探测范围大于5米的雷达系统。
探测角度：侧向探测需求应选用探测角度较大的APA雷达，以覆盖盲区并提供准确的侧方感知。
温度补偿功能：在温度变化较大的地区，选择具备温度补偿功能的雷达可提高测距精度。
应用场景
超声波雷达的典型应用场景包括：
倒车雷达：帮助驾驶员探测车辆后方的障碍物，并提供声光警告或自动刹车功能。
自动泊车辅助：通过侧面和后方的超声波雷达，车辆能够精确判断停车位的尺寸并进行自动泊车操作。
盲区检测：在高速行驶时，超声波雷达可用于监测盲区内的障碍物，避免并线或转弯时发生碰撞。
总结与讨论
超声波雷达作为自动驾驶感知系统中的重要组成部分，具备低成本、低能耗和全天候工作的优点，特别适用于近距离障碍物检测和泊车辅助。然而，其探测距离和精度受限，无法替代激光雷达和毫米波雷达在中远距离探测中的作用。未来，超声波雷达将与其他传感器技术（如摄像头、毫米波雷达、激光雷达）协同工作，提升自动驾驶系统的整体感知能力。