智能汽车传感器技术课件 第4章 超声波雷达

智能汽车传感器技术项目四

超声波雷达的认知、装调与应用【项目目标】2025年1月3日，蔚来汽车第3000座换电站在哈尔滨戊通落成，覆盖全国超550个城市和“9纵9横”高速公路网络。蔚来自动换电采用车-站-云协同技术方案，车端部署12颗超声波雷达和激光雷达、摄像头等33个感知硬件构成的AQUILA超感系统，在一键自动泊入换电站。知识目标1.掌握超声波特性，理解超声波雷达结构与工作原理。2.理解超声波雷达基于时间差的测距原理和关键技术参数。3.熟悉超声波雷达分类与应用场景。技能目标1.能使用专业设备对超声波雷达进行装调、参数调试和标定工作。2.能使用专业检测设备读取、分析超声波雷达的输出数据，诊断常见故障。3.能结合微控制器等平台，调试、开发简单的超声波雷达应用。素质目标1.面对超声波雷达技术应用与故障处理等各类问题，能够主动收集信息、分析问题本质，提出解决方案，塑造独立思考与问题解决能力。2.在实践教学中，强调安全操作规范的重要性，熟悉并遵守车辆维修、电子设备操作等相关安全准则，树立安全规范与环保意识。次声波、声波、超声波的本质是机械波，由声源振动产生，依赖介质传输超声波的波长很短，只有几厘米甚至千分之几毫米1.超声波的传播特性在均匀介质中能够定向直线传播超声波的衍射、绕射能力弱，反射能力强波长很短，比通常的障碍物的尺寸小好多倍超声波的波长越短，该特性就越显著任务4.1超声波的特性认知任务4.1超声波的特性认知2.超声波的传播速度超声波在空气中传播的速度比较小在固体或者液体中传播时，传播能量衰减比较小和穿透能力比较强介质的密度与弹性特性是影响超声波传播速度的主要因素超声波在空气中的传播速度与温度、大气压力、温度等因素有关，其中温度的影响更大-30-20-100102030100超声波传播速度m/s313319325323338344349386超声波传播速度与温度的关系

3.超声波的折射与反射在同样的媒介中，超声波将直线传播当不同的介质中传播时，在分界面上会同时产生二种不同的现象：反射与折射这种现象受媒介的种类、形状的影响，在大气中，即使是遇到人体也会出现明显的反射现象。超声波的反射与折射

任务4.1超声波的特性认知3.超声波的折射与反射要注意多重反射的干扰对于在可检测物体上反射一次后回归的反射，该反射波反射到雷达探头或附近的物体、天花板面等，并再次回归反射到可检测物体的反射两次以上的反射波例如2次反射的情况下，则会受到恰好与处于2倍距离的一次反射相同的反射波超声波的反射与折射

任务4.1超声波的特性认知4.超声波的功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，功率与声波的频率成正比由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率很大当超声波频率变大时，其波束也会随着变窄，于是该声波的定向传播和反射能力就会变强，它所携带的传播能量也会远远大于具有相同振幅的其他类型的声波任务4.1超声波的特性认知5.超声波的干涉特性当两列超声波在某种介质中传播并相遇时，该介质中的某些质点的振动会相互加强另有一些质点的振动会相互减弱甚至有些质点的振动会完全抵消掉由于超声波干涉现象的存在，在两列超声波辐射区的周围会形成一个包含有最强和最弱振动的扬声场。任务4.1超声波的特性认知6.超声波的衰减特性在传播的过程当中其所携带的声能量会有所少由声束的扩散而引起的衰减。这种衰减只与波形和距离有关，而与介质无关。由散射而引起的衰减。当超声波在不同的介质中传播时，会产生散乱反射现象而使声能衰减。由吸收而引起的衰减。当声波想要传播时，质点需要振动而克服质点与质点之间的粘滞力做功从而使声能衰减。任务4.1超声波的特性认知7.超声波的空化作用超声波作用于液体时可产生大量小气泡液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波任务4.1超声波的特性认知超声波雷达作为测距传感器，在汽车倒车辅助系统中检测障碍物的距离与方位，在汽车上已经使用数十年之久，技术极为成熟，并且成本低廉；由于超声波的特性，与其他测距传感器相比测距距离较小，但是受外界环境干扰小，可以全天候工作。任务4.1超声波的特性认知超声波定位技术是蝙蝠等一些无目视能力生物作为防御天敌及捕获猎物的生存手段，根据猎物或障碍物反射回波的时间间隔，判断猎物或障碍物的位置。蝙蝠的超声波定位是生物的本能，而在现实中超声波测距算法有：相位检测幅值检测脉冲回波检测任务4.2超声波雷达测距原理1.超声波相位检测法首先检测出雷达发射出的超声波和机械回波之间的相位差，然后根据相位差计算出障碍物与超声波雷达之间的距离。

任务4.2超声波雷达测距原理

任务4.2超声波雷达测距原理1.超声波相位检测法首先检测出雷达发射出的超声波和机械回波之间的相位差，然后根据相位差计算出障碍物与超声波雷达之间的距离。

这种方法仅通过回波幅值来判断距离，易受反射波的影响任务4.2超声波雷达测距原理2.超声波幅值检测法将回收到的机械回波信号进行处理，并将其转化为包络曲线，利用对该曲线的峰值分析来确定机械回波前沿最远所能到达的距离。对有相同距离的不同障碍物，机械回波的包络大致相同，但其幅值不同对于同一个障碍物，即使距离不同，其回波信号所产生的包络曲线仍然大致相似，但是每一个曲线的幅值不同3.超声波脉冲回波法超声波发射端TX发射具有一定频率的短促的超声波信号，同时启动时钟计数器，直到接收端RX收到障碍物发射的机械回波信号，并转换为相应的电信号放大接收电路会将电信号放大，控制器会识别该信号，同时时钟计数器停止计数，读出计数器数值即可得到回波时间，从而计算出障碍物到雷达的距离。任务4.2超声波雷达测距原理3.超声波脉冲回波法超声波发射端TX发射具有一定频率的短促的超声波信号，同时启动时钟计数器，直到接收端RX收到障碍物发射的机械回波信号，并转换为相应的电信号放大接收电路会将电信号放大，控制器会识别该信号，同时时钟计数器停止计数，读出计数器数值即可得到回波时间，从而计算出障碍物到雷达的距离。任务4.2超声波雷达测距原理思考为什么？发射端TX输入的是一定频率的矩形波脉冲串接收端RX输出的是毫伏级的交流信号

其中，C表示超声波在空气中传播的速度，在常温下约为344m/s。如果考虑温度对超声波传播速度的影响则要进行温度系数修正。T表示发射端与接收端的回波时间差。这种算法比较简单，非高精度的测距场景使用较多。任务4.2超声波雷达测距原理

直射式和反射式超声波雷达

超声波雷达，是通过送波器（发射端）将超声波向对象物发送，通过受波器（接受端）接受这种反射波，来检测对象物的有无，以及通过计算从超声波发射到接收所需要的时间和声速的关系，来计算雷达和对象物之间的距离。按照安装方式分类，超声波雷达可以分为直射式和反射式反射式又可以分为发射头、接收头分体和收发一体等二种形式任务4.3超声波雷达的结构与原理按结构直探头斜探头表面波探头双探头聚焦探头水浸探头按换能器电动式电磁式磁致伸缩式压电式按使用UPAAPA按频率40khz48khz58khz任务4.3超声波雷达的结构与原理按使用UPAAPA按频率40khz48khz58khz任务4.3超声波雷达的结构与原理苏州优达斯TBD超声波雷达水平方向检测区域超声波换能器的内部结构

换能器，超声波的发射和接收，需要电能-机械能之间的能量转换装置在发射超声波的时候，将电能转换，而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号超声波换能器的特点是能够完成超声波与电信号之间的相互转换，其核心是压电晶体任务4.3超声波雷达的结构与原理压电晶体的可逆特性：对压电材料施加机械力，在电极间随着力产生电动势若在电极间施加电压，则压电材料会产生机械位移任务4.3超声波雷达的结构与原理超声波雷达直探头结构

压电晶片多为圆板形，厚度为δ超声波频率f与其厚度δ成反比压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。任务4.3超声波雷达的结构与原理在发射端，对压电晶片施加40kHz的激励脉冲电压，晶片根据所加的高频电压极性伸长或缩短产生高频振动，发射频率是40KHz的超声波。超声波经被障碍物反射后被接收器接受，再利用压电材料的压电效应，转换成电荷，经测量转换电路，记录或显示结果任务4.3超声波雷达的结构与原理一种超声波发射电路任务4.3超声波雷达的结构与原理一种超声波接收电路任务4.3超声波雷达的结构与原理超声波雷达的数据接口UART串口通过RX/TX引脚与微控制器的串口相连，发送包含距离信息的ASCII字符或二进制数据包。程序简洁，只需一个UART接口，占用2个GPIO口，需要处理串口数据协议。I²C总线连接微控制器的SDA数据和SCL时钟引脚，使用I²C协议读取模块寄存器中的距离数据或配置模块参数。允许多个模块共用同一组I²C线，能简化布线，需要I²C库支持。CAN总线通过CAN总线与车辆上的其他电子控制单元ECU进行通信，传输距离信息、传感器ID、状态等数据。CAN报文定义，一般应遵循车规级CAN协议标准，如ISO11898。任务4.4超声波雷达的数据接口超声波雷达的数据协议

苏州优达斯TBD超声波雷达采用CAN总线输出采用motorola格式通信速率为500kb/s标识符为0x32A有效字长为15位距离换算比率为0.0563任务4.4超声波