具備調(diào)頻功能的超聲波雷達在自動駕駛中的技術(shù)研究

王志兵

畢業(yè)于閩江學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于同致電子科技（廈門）有限公司，任高級工程師，主要從事具備調(diào)頻功能的超聲波雷達在自動駕駛中的技術(shù)研究工作。

摘 要：近幾年隨著汽車自動化層度越來越高，對于各種傳感器的性能要求也越來越高。特別是自動駕駛級別達到L3及以上的車輛，基本上要求主要傳感器在功能安全方面至少能夠達到ASIL A。傳統(tǒng)的超聲波雷達在穩(wěn)定性、可靠性、功能安全等方面都無法滿足其要求。而新一代具備調(diào)頻功能的超聲波雷達不僅提高了穩(wěn)定性、可靠性，還可以自動診斷自身故障、動態(tài)調(diào)整發(fā)波頻率、自動識別回波頻率等。本文就具備調(diào)頻功能的超聲波雷達在自動駕駛中的運用展開深層次的論述。

關(guān)鍵詞：自動駕駛;超聲波雷達;余弦定理;調(diào)頻;掃頻

中圖分類號：U469.79" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2022）04-0075-05

Research on Ultrasonic Sensor With Frequency Modulation Function in Autopilot

WANG Zhi- bing

（ Ramp;D Dept.Ⅱ， TUNG THIH Electron（Xiamen）Co.， LTD， Xiamen 3631006， China ）

Abstract： In recent years， with the increasing level of automotive automation， the performance requirements of various sensors are becoming higher and higher. In particular， for vehicles with an autonomous driving level of L3 and above， the primary sensors are required to be at least ASIL A in terms of functional safety. The traditional ultrasonic sensor can not meet its requirements in stability， reliability and functional safety. The new generation of ultrasonic sensor with frequency modulation function not only improves the stability and reliability， but also can automatically diagnose their own faults， dynamically adjust the wave frequency， automatically identify the echo frequency and so on. This paper discusses the application of ultrasonic sensor with frequency modulation function in autopilot.

Key Words： Autopilot; Ultrasonic Sensor; Cosine Theorem; FSK Burst; Chirp

1" " 引言

自動駕駛主要由感知、決策、執(zhí)行三部分組成。感知是采集周圍環(huán)境的基本信息，是自動駕駛的基礎(chǔ)。自動駕駛汽車通過傳感器來感知周圍環(huán)境，自動駕駛所用到的傳感器主要包括攝像頭、超聲波雷達、激光雷達和毫米波雷達。超聲波雷達具有許多優(yōu)點：防水、防塵性能好，穿透性強、成本低，不受光線條件的影響等。尤其是在短距離測量中，超聲波雷達有著非常大的優(yōu)勢。

2" " 超聲波雷達探測障礙物的基本原理

汽車超聲波雷達使用的是人類聽力范圍外的信號頻率（gt;20kHz），并且通常使用的頻率范圍是30-70kHz。超聲波雷達通過在路徑上向外發(fā)射超聲波，當(dāng)路徑上存在障礙物時，物體會把相應(yīng)的超聲波反射回來。主機利用發(fā)射波和反射波之間的時間差以及聲音在空氣中傳播速度就可以計算出車輛相對障礙物的距離。超聲波檢測障礙物原理如下圖1所示：

3" " 汽車超聲波雷達簡介

市場上的汽車超聲波雷達大致可以分為兩類：模擬式和數(shù)字式。

模擬式超聲雷達：

1：超聲雷達接收到的回波信號直接傳輸?shù)紼CU處理。

2：回波信號微弱（100uV），必須采用屏蔽線來傳輸。

3：抗干擾性差、產(chǎn)品互換性較差。

模擬式超聲波雷達以前主要用于售后加裝市場，隨著技術(shù)的發(fā)展，模擬式超聲波雷達基本上已經(jīng)被淘汰了。

數(shù)字式超聲波雷達：

1：超聲波雷達內(nèi)置MCU（針對車載雷達產(chǎn)品開發(fā)的專用ASIC芯片）。

2：超聲波雷達一般留有三個接口，分別是電源、地、信號線。

3：主機與超聲波雷達之間通過信號線通信。

4：主機可隨時配置控制參數(shù)，應(yīng)用靈活，智能化層度高。

數(shù)字式超聲波雷達具有抗干擾性強、穩(wěn)定性好、運用靈活等優(yōu)點，目前市場上的超聲波雷達基本上都是數(shù)字式的。

4" " 超聲波雷達的局限性

雖然超聲波雷達有很多優(yōu)點，但是超聲波作為一種機械波，在實際應(yīng)用中還是存在很多局限性。

1：對溫度敏感。超聲波雷達在空氣中傳播的速度與聲音在空氣中傳播的速度相同。聲音在空氣中傳播的速度受溫度影響很大，近似關(guān)系為：

C = C0+ 0.607×T

其中，C0為零度時的波速，為332m/s，T為溫度（單位：℃）。聲速受溫度影響，因此測量的精度也與溫度直接相關(guān)。

2：超聲波散射角度大，方向性差，無法精確描述障礙物位置。

3：超聲波的頻率與環(huán)境噪聲相重疊，容易受到環(huán)境噪聲影響。

4：超聲波的頻帶較窄，隨著超聲波雷達整車裝有量不斷提升，出現(xiàn)同一頻率的超聲波雷達同時工作的概率也不斷提高。當(dāng)兩個相同頻率的超聲波雷達同時工作時，系統(tǒng)無法區(qū)分收到的回波是干擾還是遇到障礙物返射的回波，也就無法準(zhǔn)確報警。

另外，超聲波雷達都是按照固定頻率來發(fā)波的，對于裝有12個超聲波雷達的自動泊車系統(tǒng)，為了防止探頭之間相互干擾，一般自動泊車?yán)走_和和倒車輔助雷達的工作頻率會錯開。比如自動泊車?yán)走_的工作頻率是48KHz，而倒車輔助雷達的工作頻率是 55.5KHz。即使如此，還是無法解決上述第3和第4點問題。

5" " 具備調(diào)頻功能的超聲波雷達介紹

具備調(diào)頻功能的超聲波雷達是為了滿足自動駕駛要求而在傳統(tǒng)車載雷達基礎(chǔ)上重新設(shè)計的新型車載超聲波雷達，它不僅功能更加豐富，而且具備高魯棒性和更加完善的診斷功能。

具有調(diào)頻功能的超聲波雷達具備如下功能：

1：工作過程中雷達發(fā)射頻率可以在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)任意調(diào)整。

2：能夠識別接收到回波的頻率以及回波持續(xù)的時間。

3：能夠自動掃描環(huán)境噪聲，并把結(jié)果告知主機。

4：能對接收的回波進行初步分析，并以回波高度或者置信度的方式告訴主機。

5：能夠?qū)ψ约旱挠布娐愤M行診斷（電壓過高、電壓過低、檢知器開路、檢知器短路等），并把結(jié)果告訴主機。

6：能夠識別超聲波雷達表面結(jié)冰或者有泥巴覆蓋在超聲雷達的場景。

7：實時監(jiān)測超聲波雷達與主機的通信情況，當(dāng)超聲波雷達與主機之間的通信出現(xiàn)異常時，可以自動識別，并且根據(jù)不同的通信異常采取相應(yīng)的措施。

6" " 具備調(diào)頻功能的超聲波雷達在自動駕駛中的運用

1：自動駕駛對于超聲波探測障礙物的精度要求比傳統(tǒng)倒車?yán)走_高很多，而且車輛正常工作溫度范圍很寬：-40℃到+85℃。超聲波雷達作為自動駕駛的傳感器，在全溫度范圍內(nèi)探測精度必須保持一致。但是聲音在空氣中傳播的速度隨著溫度的變化而改變，假如系統(tǒng)按照固定音速來計算距離的話，在-40℃到+85℃范圍內(nèi)就會造成較大的誤差。舉例說明：假如超聲波雷達最遠(yuǎn)探測160cm，假如在全溫度范圍都按照+15℃時候的音速（340m/s）來計算距離的話，最大誤差將達到17cm。具體如下表1。

由此可見，如果采用固定音速來計算距離，超聲波雷達在自動駕駛的全溫度范圍內(nèi)探測誤差比較大。現(xiàn)在汽車都配備環(huán)境溫度檢測模塊（比如空調(diào)系統(tǒng)），且檢測到的溫度誤差基本在±2℃范圍內(nèi)，雷達主機可以通過汽車總線（CAN 、LIN等）來獲取環(huán)境溫度，再通過公式：C = C0+ 0.607" ×T（C0為零度時聲音在空氣中傳播的速度，為332m/s，T為環(huán)境溫度（單位：℃））來對聲速進行補償。通過這種方式，可以把近距離（2米以內(nèi)）的探測誤差控制在±5cm，以滿足自動駕駛的需求。

2：自動駕駛不僅要求超聲波雷達模塊能精確探測障礙物與車輛的相對位置，還要求超聲波雷達模塊能夠給出障礙物在世界坐標(biāo)系的位置。只有知道障礙物在世界坐標(biāo)系的位置，車輛控制模塊才能根據(jù)障礙物的位置做出相應(yīng)的避障或剎車動作。而超聲波散射角度大，方向性差，如果單純從障礙物反射回波來看，障礙物可能出現(xiàn)在以探頭為圓心，距離為半徑的圓弧上，無法準(zhǔn)確定位障礙物所在世界坐標(biāo)系的位置。針對此問題，可以充分利用具備調(diào)頻功能的超聲波雷達優(yōu)勢，不同位置的超聲波雷達采用不同的工作模式，實現(xiàn)多個超聲波雷達同時發(fā)送超聲波，剩余的雷達同時接收超聲波的方式，快速準(zhǔn)確的確定障礙物具體位置。多個超聲波雷達同時收到障礙物反射的回波后，通過余弦定理：a2=b2+c2-2bccosA，即可求得障礙物的準(zhǔn)確位置。具體可以參考下圖2：

上圖A，B，C，D為安裝在車上的超聲波雷達（探頭），探頭D開始發(fā)送超聲波時，探頭C也開始接收超聲波。當(dāng)探頭D發(fā)送的超聲波遇到障礙物時，探頭D發(fā)送的超聲波會被障礙物反射回來，并被探頭C和探頭D收到。通過發(fā)送超聲波和接收到超聲波的時間差，就可以計算出障礙物與兩個探頭的距離c和b。由于a為探頭安裝參數(shù)，是已知的，通過余弦定理，就可以計算出夾角β。計算出β后，而α又是已知的（超聲波雷達在車輛的安裝位置），這樣就可以求出夾角δ。知道直角三角形斜邊距離b和夾角δ就可以通過三角函數(shù)求出x（x=b×sinδ），y（y=b×cosδ）的值，進而實現(xiàn)障礙物的精準(zhǔn)定位。

下圖3就是在某一車輛上，通過余弦定理測出的超聲波雷達覆蓋圖：每一個小方格是10cm× 10cm，水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)的單位是米。從圖中我們可以看出，障礙物與汽車保桿的垂直距離隨著保桿輪廓的變化而改變，實現(xiàn)了障礙物的精準(zhǔn)定位。

3：車輛行駛的環(huán)境千變?nèi)f化，這就要求整車系統(tǒng)在各種環(huán)境下都能穩(wěn)定、可靠的工作。傳統(tǒng)超聲波雷達發(fā)射頻率與環(huán)境噪聲相重疊，容易受到周圍環(huán)境噪聲的干擾。由于自動駕駛涉及人身安全，作為自動駕駛的主要感知模塊，超聲波雷達必須解決容易受干擾的問題。針對此問題，具有調(diào)頻功能的超聲波雷達可以自動檢測環(huán)境噪聲，并把結(jié)果反饋給主機。當(dāng)超聲波雷達檢測到周圍環(huán)境存在干擾時，主機可以控制超聲波雷達采用不同的工作模式，以減少環(huán)境噪聲對系統(tǒng)的干擾。具有調(diào)頻功能的超聲波雷達主要工作模式有如下幾種：

1）定頻模式：在超聲波雷達工作的頻率范圍內(nèi)選擇一個干擾最小的頻率，之后就固定用這頻率來發(fā)送超聲波。

如上圖4所示，不支持調(diào)頻功能的超聲波雷達只能采用特定的頻率來發(fā)射超聲波，而具有調(diào)頻功能的超聲波雷達則可以根據(jù)周圍環(huán)境的具體情況采用不同的頻率進行發(fā)波，減少環(huán)境噪聲或者不同車輛的超聲波雷達對本系統(tǒng)的干擾。

2）掃頻模式：具備調(diào)頻功能的超聲波雷達可以工作在掃頻模式，掃頻模式可分為上掃頻和下掃頻（如圖5）：一個發(fā)波周期連續(xù)發(fā)送幾個頻率相差fdelta超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時，反射回來的超聲波也應(yīng)該是一些頻率相差fdelta超聲波。通過這種方式，超聲波雷達系統(tǒng)基本上可以過濾掉環(huán)境噪聲。

3）具有調(diào)頻功能的超聲波雷達還可以通過發(fā)射兩個不同頻率的超聲波來實現(xiàn)編碼：頻率高的超聲波代表數(shù)字“1”，頻率低的超聲波代表數(shù)字“0”。頻率高的超聲波與頻率低的超聲波發(fā)波脈沖個數(shù)相同，通過這種方式，即可實現(xiàn)編碼功能。具體參考如下圖6所示：

4：隨著汽車自動化層度越來越高，汽車電子化程度也越來越高，動態(tài)隨機故障以及控制系統(tǒng)功能性故障日益增多。為了滿足汽車功能安全要求，車輛各模塊必須具備相應(yīng)的診斷功能。具備調(diào)頻功能的超聲波雷達的診斷模式就是針對此需求而設(shè)計的。主機可以通過控制超聲波雷達進入診斷模式實現(xiàn)超聲波雷達的診斷功能：超聲波雷達故障退出、傳感器電源模塊開路/短路、硬件電路缺陷、檢知器開路/短路、雷達表面結(jié)冰等。主機針對超聲波雷達返回的不同故障原因做出相應(yīng)的提示：提示駕駛員更換超聲波雷達、清洗超聲波雷達、超聲波雷達無法工作請駕駛員接管車輛等。

5：具備調(diào)頻功能的超聲波雷達還可作為低速緊急制動、盲區(qū)監(jiān)測、車輛跟隨、自動泊車等功能模塊的感知器件。為了防止出現(xiàn)相同的超聲波雷達之間相互干擾，可以利用掃頻模式或者調(diào)頻方式進行發(fā)波，以提高雷達系統(tǒng)的可靠性。同時由于超聲波雷達可以工作在不同的頻率模式，還可以采用多個超聲波雷達同時發(fā)波的方法，加快障礙物的探測。另外，還可以將超聲波雷達主機探測到的障礙物信息發(fā)到車身總線（CAN/LIN），用到此感知功能的功能模塊從總線上獲得超聲波雷達探測到的障礙物信息。通過這種方式既可以降低整車成本，還可以實現(xiàn)超聲波雷達功能的最大化。

7" " 總結(jié)

雖然具備可調(diào)頻功能的超聲波雷達現(xiàn)在還是新鮮事物，但是隨著技術(shù)的發(fā)展和各大廠商加大超聲雷達研發(fā)的投入，具備調(diào)頻功能的超聲波雷達必將在自動駕駛中發(fā)揮更加重要的作用。希望本研究能夠起到拋磚引玉的作用，未來有更多基于具備調(diào)頻功能的超聲波雷達傳感器的產(chǎn)品面世，早日實現(xiàn)完全自動駕駛。

參考文獻：

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論文從現(xiàn)有超聲波雷達技術(shù)在自動駕駛車輛應(yīng)用存在的問題提出了相應(yīng)的解決技術(shù)方案，有對應(yīng)的理論推導(dǎo)，具有一定的指導(dǎo)價值，因自動駕駛車輛環(huán)境的復(fù)雜及多樣性，該技術(shù)的實際應(yīng)用效果還需要開展大量的測試驗證及完善。