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見的聲波。

超聲波傳感器也稱超聲波雷達，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)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或?qū)⑼饨缏晥鲋械穆曅盘栟D(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波傳感器有一個發(fā)射頭和一個接收頭，安裝在同一面上。在有效的檢測距離內(nèi)，發(fā)射頭發(fā)射特定頻率的超聲波，遇到檢測面反射部分超聲波；接收頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時間，并計算出距離值；超聲波測距傳感器可以通過模擬接口和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)時間提高了一倍，能夠?qū)嚯x物體實現(xiàn)檢測和對突然出現(xiàn)的障礙物（如行人、變化的場景等）進行快速響應(yīng)。

圖2-15　超聲波傳感器

2. 超聲波傳感器的特點

（1）超聲波傳感器有效探測距離一般在10m之內(nèi)，但會有一個最小探測盲區(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距離

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

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

（4）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制。

3. 超聲波傳感器的測距原理

超聲波傳感器適合于低速，在速度很高的情況下測量距離具有一定的局限性。這是因為超聲波的傳輸速度容易受天氣情況的影響，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，當汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大。另一方面，超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠距離的目標時，其回波信號會比較弱，影響測量精度。但是，在短距離低速測量中，超聲波傳感器具有非常大的優(yōu)勢。

超聲波傳感器的測距原理如圖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，反射后通過媒質(zhì)（空氣）傳到接收器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，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，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間為t，當發(fā)射器和接收器之間的距離遠小于探頭到障礙物之間的距離時，則有L=vt/2。只要能測出傳播時間，即可求出測量距離

圖2-17　超聲波傳感器的測距原理

4. 超聲波傳感器的類型

智能網(wǎng)聯(lián)汽車上常見的超聲波傳感器有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險杠上的，也就是用于探測汽車前后障礙物的傳感器，探測距離一般為15～250cm，稱為PDC傳感器，也稱為UPA（駐車輔助傳感器）；第二種是安裝在汽車側(cè)面的，用于測量停車位長度的超聲波傳感器，探測距離一般為30～500cm，稱為PLA傳感器，也稱為APA（泊車輔助傳感器）。如圖2-18所示的汽車配備了前后向共8個UPA，左右側(cè)共4個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）測量范圍。超聲波傳感器的測量范圍取決于其使用的波長和頻率；波長越長，頻率越小，檢測距離越大。測量汽車前后障礙物的短距超聲波傳感器探測距離一般為15～250cm；安裝在汽車側(cè)面、用于測量側(cè)方障礙物距離的長距超聲波傳感器探測距離一般為30～500cm。

（2）測量精度。測量精度是指傳感器測量值與真實值的偏差。超聲波傳感器測量精度主要受被測物體體積、表面形狀、表面材料等影響。被測物體體積過小、表面形狀凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會降低超聲傳感器測量精度。測量精度越高，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線為軸線，到一側(cè)能量強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，更適合精確測量相對較小的物體。一些波束角為12°～15°的傳感器能夠檢測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，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。

（5）抗干擾性能。超聲波為機械波，使用環(huán)境中的噪聲會干擾超聲波傳感器接收物體反射回來的超聲波，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)汽車中有著廣泛的應(yīng)用，最常見的是自動泊車輔助系統(tǒng)，如圖2-19所示。自動泊車輔助系統(tǒng)通常使用12個超聲波傳感器，車前、后部各4個短距超聲波傳感器負責探測倒車時與障礙物之間的距離，兩側(cè)的長距超聲波傳感器負責探測停車位空間。

特斯拉Model S就是主要靠攝像頭視覺圖像處理、毫米波雷達和超聲波傳感器實現(xiàn)傳感的，特斯拉輔助駕駛使用的硬件包括前視攝像頭、前置毫米波雷達和12個超聲波傳感器，如圖2-20所示。圖中①代表位于前后保險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監(jiān)測裝置。

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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