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ADAS中的超聲波傳感器,想知道的都在這兒~

時間:2020-09-23 14:38:24來源:電子創(chuàng)新網(wǎng)

導語:?新一代汽車是未來市場的一大支柱,消費者關注的不僅僅是高性能的電動汽車和混合動力車,近年來,智慧出行概念以及新一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車也備受關注。

新一代汽車是未來市場的一大支柱,消費者關注的不僅僅是高性能的電動汽車和混合動力車,近年來,智慧出行概念以及新一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車也備受關注。

所謂智能網(wǎng)聯(lián)汽車,是指通過搭載先進裝置收集車體狀態(tài)和路面狀態(tài)的各種信息,融合通訊技術來提高駕駛安全性的汽車類型。

也就是說,未來的汽車要能夠眼觀六路、耳聽八方。

推動智能網(wǎng)聯(lián)、駕駛?cè)詣踊暮诵募夹g被簡稱為V2X:

  • 車輛間通訊(V2V:Vehicle to Vehicle)

  • 車輛與基礎設施通過網(wǎng)絡實現(xiàn)互相通信(V2I: Vehicle to Infrastructure)

V2X技術構(gòu)建高效的交通系統(tǒng),能快速獲得即時路況,更能有效地防止交通事故等,實現(xiàn)最高階的完全自動化駕駛(ADAS)。

其實,超聲波傳感器輔助駕駛員泊車(PAS)的歷史比車載攝像機還早一些。而現(xiàn)在,已實用的輔助駕駛?cè)詣硬窜?,就是充分發(fā)揮超聲波傳感器和攝像機組合。

下面就為你介紹村田超聲波傳感器的基本知識、最新進展、以及在ADAS中的越來越重要的應用。

1. 什么是超聲波傳感器?

超聲波通常是指頻率超過人類聽覺系統(tǒng)的低頻可聽范圍(0 Hz至20 kHz)的聲波。

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其中:
  • v:音速 346m/s (@25℃)
  • f:頻率
  • λ:波長

超聲波的發(fā)聲原理是利用壓電陶瓷具有根據(jù)電壓方向膨脹和收縮的特征,將電信號轉(zhuǎn)換為陶瓷振動,通過陶瓷的反復膨脹和收縮讓空氣振動,并發(fā)出超聲波。

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實際使用中,超聲波傳感器將電信號施加到超聲波換能器(發(fā)射器),通過膨脹和收縮壓電陶瓷,發(fā)射超聲波;然后,再由接收器接收超聲波并轉(zhuǎn)換為用于分析的電信號并加以各種應用。

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為什么利用分析超聲波信號就能檢測物體的距離、檢測物體是否存在、以及檢測物體移動?

 這是由聲波的特性所決定的。因為聲波的傳播速度因介質(zhì)而異,并且,聲波還具有通過介質(zhì)的聲阻抗來反射和透射的特性。比如,
 音速會隨著彈性模量的增加而增加。音速=彈性模量/密度,液體和固體中的音速比氣體更快;

空氣中的音速受溫度的影響??諝庵械囊羲貱=331.5+0.6T [m/s],其中,C是空氣中的音速,T是氣溫(℃);

由于聲阻抗Zo=ρ?C(其中ρ是介質(zhì)密度、C是介質(zhì)中的音速),所以,當介質(zhì)的聲阻抗差較大時,反射增加,當聲阻抗差較小時,發(fā)生透射。

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不同物體由于組成材料不同,都具有其各自固有的、不同的聲阻抗和音速。也就是說,介質(zhì)中的音速、聲阻抗是表示聲音傳播容易程度的數(shù)值。反之,通過發(fā)射和收集這些參數(shù),就能用來判斷聲波說碰到的“障礙物”界面的空間情況。

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當然,實際將聲波應用在探測中,還必須對其方向性、分辨率和頻率衰減有更詳細的了解和建模。

 ◆ 方向性

超聲波傳感器具有從頂部表面開始的圓錐形方向性,將方向性定義為從正面聲壓到-6dB。與光學傳感器相比,方向性更寬,但是具有頻率越高則方向性越尖銳的特征。

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◆ 分辨率:頻率越高則分辨率越高。

◆ 衰減:頻率越高則衰減越大,到達距離越短。

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超聲波具有傳播速度因傳播介質(zhì)而異、方向性和分辨率因頻率而異的特性。這些性能會影響測量距離、精度和檢測范圍。

3. 超聲波的應用

由于超聲波的傳播速度因介質(zhì)而異,導致在介質(zhì)之間發(fā)生超聲波透射或反射??梢灾饕ㄟ^使用這種反射來檢測物體的存在、狀態(tài)和距離。

比如,距離可以通過測量超聲波反射時間來計算:測量從發(fā)射開始到接收到反射波為止的時間,然后:時間x音速=到物體的距離(往返)。

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超聲波檢測距離的原理示意

由于不受顏色的影響,因此,即使是透明玻璃和亞克力,也可以作為反射介質(zhì),不用識別反射材料的顏色等物理表觀性質(zhì)。這是超聲波傳感與攝像機在車載應用中的一個顯著區(qū)別。

應用相同傳播原理,通過識別是否有反射波可以檢測物體是否存在。因此,可以用無接觸方式檢測物體是否存在,可以在方向性范圍內(nèi)大范圍檢測是否存在物體。

 超聲波還可以通過聲波的波動檢測運動物體。
 這是因為移動物體對波產(chǎn)生多普勒效應,反射波和直達波頻率不再相同。當發(fā)射和接受分別使用不同的傳感器時,反射波和直達波的合成信號產(chǎn)生變化,利用這個聲場變化就能檢測到運動。

下面,我們看看超聲波傳感器在汽車上的應用。

4. 汽車PAS應用

超聲波傳感器是最早的輔助駕駛應用。汽車的停車輔助系統(tǒng)(PAS)使用超聲波傳感器測量車輛與障礙物(例如墻壁)的距離,并將接近程度通知駕駛員。

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PAS系統(tǒng)工作原理大致分為以下三步:
  • 發(fā)射脈沖信號,超聲波從障礙物反射,根據(jù)到接收到反射波為止的時間測量距離。

  • 發(fā)射脈沖信號時,將發(fā)送時鐘脈沖,并使用時鐘測量時間。

  • 反射時間(s) x 音速(340m/s)=到障礙物的距離(往返)

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PAS應用所需的特性,不僅是要能夠即時檢測到后方的墻壁等大面積的障礙,還需要判斷“緣石”的影響;另外,車載超聲波傳感器要盡量以一個裝置去覆蓋最大的面積,以減少裝置數(shù)量;

最后,PAS系統(tǒng)還需要能夠檢測到極端靠近的距離,這對所使用的超聲波傳感器的方向性能提出更高要求,即垂直方向上較窄,在水平方向上較寬,而余響時間更短。

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5. 汽車ADAS應用

自動駕駛Level 3是ADAS技術的關鍵環(huán)節(jié)(視頻1)。從ADAS Level3開始,車輛就被真正“交給”了軟件、算法、和傳感器,產(chǎn)品和技術的性能、可靠性和精度舉足輕重。而實際上,現(xiàn)有的行業(yè)技術能力仍可能帶來誤差和不精準,不能避免意料之外的路況造成的事故。

而當ADAS進入Level 4(高階自動駕駛),駕駛員將很少參與駕駛過程,車輛進入全自動的巡航狀態(tài),ADAS需要實時監(jiān)測車輛的周圍環(huán)境,使用各種傳感器,比如雷達、激光雷達、攝像機、超聲波傳感器。

此時,不僅對單個傳感器的性能和品質(zhì)有非常高的要求,還需要進行軟件/算法的組合,通過組合、優(yōu)化、綜合分析各種傳感器的數(shù)據(jù),擴大檢測范圍,縮短盲區(qū),提高自主駕駛的安全性。



村田的傳感技術和壓電陶瓷處理技術,很早即應用在停車輔助系統(tǒng)(PAS),村田的超聲波傳感器在距離車輛幾米范圍內(nèi)發(fā)揮監(jiān)測作用,早已用于自動停車系統(tǒng),包括低速自動駕駛。

進入高端自動駕駛時代,為了提高安全性,汽車行業(yè)對超聲波傳感器的要求也越來越高,不僅需要提高產(chǎn)品本身的可靠性,擴大檢測范圍(特別是汽車周圍近距離),而且,為了快速檢測汽車周圍情況,還需要通過Coding技術實現(xiàn)多個超聲波探頭同時檢測周圍環(huán)境。


為了應對市場需求,實現(xiàn)超聲波傳感器優(yōu)異的耐久性,穩(wěn)定的近距離檢測,村田近年來從產(chǎn)品的構(gòu)造,制程開始進行改善。目標是,單個超聲波探頭的近距離檢測,從目前的25cm縮短到10cm以下。









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