超声波雷达在汽车上的应用

超声波雷达是一款极其常见的传感器。在倒车时，慢慢挪动车子的过程中，在驾驶室内能听到“滴滴滴”的蜂鸣声，这些声音就是根据超声波雷达的检测距离给司机的反馈信息。

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。

它是汽车驻车或者倒车时的安全辅助装置，帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷。

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。

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。成本于探测距离成正比。

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。

超声波雷达数学模型

参数1：α

α是超声波雷达的探测角，一般UPA的探测角为120°左右，APA的探测角比UPA小，大概为80°。

参数2：β

β是超声波雷达检测宽度范围的影响因素之一，该角度一般较小。UPA的β角为20°左右，APA的β角比较特殊，为0°。

参数3：R

R也是超声波雷达检测宽度范围的影响因素之一，UPA和APA的R值差别不大，都在0.6m左右。

参数4：D

D是超声波雷达的最大量程。UPA的最大量程为2米~2.5米，APA的最大量程至少是5米，目前已有超过7m的APA雷达在业内使用。

类型

UPA和APA

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。

优势与劣势

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。

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。

应用

泊车库位检测、高速横向辅助

超声波雷达除了用于倒车雷达距离检测外，还主要用于

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。

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。