超聲波雷達在智能網聯汽車中的應用分析

摘 要：近年來，我國汽車工業發展勢頭迅猛，汽車的保有量顯著增多，汽車主動安全性能問題也日益受到人們的關注。智能網聯汽車是聯合了車聯網與智能車的新一代汽車，搭載了先進的傳感器、執行器、控制器等裝置，有著節能、高效、安全、舒適等特點。環境感知和控制等系統的搭載保障了智能網聯汽車的安全性，其能感知、追蹤、識別與行車安全有關的物體、生物、環境等，為車主提供安全指導。而超聲波雷達是環境感知和控制等系統的信息源，在提高汽車主動安全性能方面發揮了重要作用。本文主要介紹了智能網聯汽車的背景信息，分析了超聲波雷達的定義、類型、特點、性能、劣勢與測距原理，以及超聲波雷達在智能網聯汽車中的具體應用與應用發展趨勢。

關鍵詞：超聲波雷達 智能網聯汽車 應用技術 發展趨勢

隨著汽車保有量的逐年增加，交通事故的發生也愈加頻繁。相關調查研究顯示，行車遇到危險時，駕駛員的反應時間過長是導致事故發生或加重事故危害的主要原因之一。車載雷達及其相關技術的使用能夠加快車與人、車與路、人與路之間的信息傳遞，縮短駕駛員的反應時間，提高汽車的主動安全性能。因此，對雷達傳感器進行深入研究是十分必要的。在雷達技術的支持下，自動泊車系統、自動緊急制動系統、變道輔助系統、前方防碰撞預警功能、倒車輔助系統等不斷完善，為人們的安全出行提供了保障，也推動了智能交通管理的形成。一般情況下，雷達傳感器對行駛環境的感知需要經過收集車輛及其周圍環境信息、對數據信息進行分析處理的過程。智能網聯汽車上的傳感設備主要有激光雷達、超聲波雷達、毫米波雷達三大類。本文主要以超聲波雷達為研究對象，探索了超聲波雷達的性能、工作原理及具體應用，旨在充分利用超聲波雷達，增強智能網聯汽車對駕駛環境的感知，保障人們的安全出行。

1 智能網聯汽車背景分析

影響汽車行駛狀態的因素較多，駕駛員的狀態就是其中之一。近年來，我國機動車駕駛人數量持續增多，駕駛人技術則參差不齊，趨于成熟的無人駕駛系統顯然更加可靠。智能網聯汽車自動駕駛的實現離不開環境檢測技術，這一技術的應用能夠讓智能網聯汽車具有良好的感知與定位性能，傳感器的增加則能滿足控制需求。當前，基于環境感知與定位技術的智能網聯汽車自動駕駛路徑規劃包含了感知、規劃、處理、執行四大部分，環境檢測的準確度與智能網聯汽車的可靠性有直接關聯，要實現準確、穩定的智能網聯汽車環境感知，應搭建聯合仿真平臺，借此深入研究環境感知與定位技術，推動智能網聯汽車的發展。

2 超聲波雷達

2.1 超聲波雷達的定義

超聲波，即超過20000Hz的機械波，這一聲波并不在人類耳朵可以感知的頻率范圍內，有著能量大、衰減小、可定向傳播、方向性好等特點。當前，超聲波在諸多領域都有應用，包括醫學領域、農業領域、工業領域等。超聲波雷達則是一類根據超聲波特性研制而成的傳感器，俗稱“倒車雷達”。在超聲波頻率范圍內，超聲波雷達能夠將外界聲場中的聲信號轉換為電信號，或是將交變的電信號轉換成聲信號。在汽車駐車、倒車時，超聲波雷達能夠以聲音或顯示器傳遞周圍環境信息，幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷。

2.2 超聲波雷達的類型

車載超聲波傳感器有短程、遠程之分，短程超聲波傳感器的安裝部位為前后保險杠，作用為測量車輛的前后物體，探測范圍為25毫米到2.5米，受溫度的影響小，探測結果真實可靠，配備數量一般為8個；遠程超聲波傳感器的安裝部位為車身左右兩面，作用為測量車輛左右兩側的物體，探測范圍為35厘米到5米，不易受到其他傳感器的干擾，配備數量一般為4個。

超聲波雷達可劃分為機械超聲波雷達、固態超聲波雷達、半固態超聲波雷達三類，區別三者的關鍵在于判斷其是否存在機械旋轉機構。機械超聲波雷達的內部結構復雜，包含了旋轉機構，多安裝在汽車頂部。盡管機械超聲波雷達的成本較高，但其能360°感知障礙物，且測量精度高、成像快。當前，機械超聲波雷達尚未實現大批量生產，多見于自動駕駛汽車與無人車的研發。固態超聲波雷達主要由集成電路等電子部件組成，沒有機械旋轉機構，且固態超聲波雷達不能單獨使用，需要多個相互配合，以全方位感知物體。盡管如此，固態超聲波雷達的個頭小、成本低，已實現大批量生產，應用極為廣泛。在機械超聲波雷達中，機械旋轉機構的作用主要為旋轉超聲波發射裝置和接收裝置。雖然半固態超聲波雷達內部不存在機械旋轉機構，但使用了其他的機械運動部件。與固態超聲波雷達相同，半固態超聲波雷達也有著個頭小、成本低的特點，在各類車型上都有應用。

2.3 超聲波雷達的特點

超聲波雷達主要具備以下6大特點：①適用于短距離測量，在倒車裝置、泊車裝置中運用有顯著優勢；②個頭小、成本低，能夠進行簡單的信息分析處理；③頻率相對固定，主要有58kHz、45kHz、40kHz三種頻率，頻率越高靈敏度越高，但探測角度越小，故頻率40kHz的雷達最為常用；④分辨率高；⑤在反射率足夠的前提下，車載超聲波雷達的探測距離可達到200米到300米；⑥相較于微波，超聲波雷達能夠獲取更多的信息，并創建多維度圖像。

2.4 超聲波雷達必須具備的性能

超聲波雷達常被人們叫做“倒車雷達”，這是因為在車輛倒車時，超聲波雷達發揮了重要作用，其會感知、探測車尾有無干擾物，給予駕駛人科學的指導。筆者認為。超聲波雷達必須具備的性能主要有以下三點：①頻率具有固定性：②整體結構簡單化且盡可能縮減體積，這樣才能在降低成本的同時提高感知預處理的可靠性；③提高感知靈敏度的針對性，能夠抵抗自然環境的干擾。只有具備上述性能，超聲波雷達才能長效發揮感知作用，保障行車的安全性。

2.5 超聲波雷達的劣勢

當前，車載超聲波雷達主要有三大缺點：①探測范圍有限，無法預判一些突發情況，如動物突然跑到車后；②由于超聲波雷達只能測量距離而不能測量方位，隨著車輛速度的提升，超聲波雷達對環境感知的準確度會有所下降，要解決這一問題，需要增加超聲波雷達的安裝數量；③超聲波雷達的感知效果還受到地面平整度的影響，若地面凹凸不平，則會降低感知的準確性。鑒于此，相關人員應對超聲波雷達性能的提升進行深入研究，提高智能網聯汽車的主動安全性能。

2.6 超聲波雷達的測距原理

一般來說，車載超聲波雷達主要由超聲波發射裝置、超聲波接收裝置、拔插開關構成。為確保向外輻射的超聲波能夠在碰到障礙物后發生反射且被接收裝置收到，發射裝置與接收裝置應處于同一平面。在收到回波信號后，超聲波接收裝置會放大、檢測、分析處理回波信號，由車載智能系統的中央處理器進行解析，測量出發射到接收所需的時間，再計算出車輛與障礙物之間的距離。在超聲波雷達工作時，數據線主要發揮著傳遞數據信息的作用。

具體來說，超聲波雷達測距主要包括四大流程：①超聲波發射器向外輻射超聲波脈沖；②超聲波接觸障礙物并反射；③超聲波接收裝置接收反射波；④相關信息上傳車載智能系統，由中央處理器進行解析，計算出車輛到障礙物的距離。需要注意的是，中央處理器計算出的汽車到障礙物之間的距離與實際距離有時會存在偏差，這是因為障礙物的體積、形狀、材料等會影響超聲波的波長與頻率，導致測量數據出現誤差，但誤差一般不超過10cm。上文提到，短程超聲波傳感器的探測范圍為25毫米到2.5米，遠程超聲波傳感器的探測范圍為35厘米到5米，這不僅說明超聲波雷達不適合遠距離探測，也意味著超聲波雷達不能有效感知緊貼車輛外表面的物體。鑒于此，在啟動車輛之前，駕駛員有必要自行檢查車輛前后是否存在障礙物。

3 超聲波雷達在智能網聯汽車中的具體應用

3.1 自動泊車系統

通俗來說，自動泊車系統就是不用人工干預，自動讓車輛停入車位的系統。在自動泊車過程中，超聲波雷達發揮了重要作用：先由超聲波雷達對車輛周圍環境進行識別，找到停車位；再自主控制車輛的速度、朝向、檔位等，讓車輛順利駛入停車位。自動泊車系統包含了四大模塊，分別為執行機構、泊車控制器、環境感知模塊以及人際交互模塊。自動泊車時，環境感知模塊會完成避免障礙物、尋找停車位等工作；隨后，泊車控制器會利用環境感知模塊收集的數據信息發出控制指令，規劃出合理的泊車路徑；由此，執行機構根據指令實施操作，并實時反饋車輛的各類數據信息，支持環境感知模塊的運行，確保車輛安全駛入停車位。

具體實踐中，駕駛員需要經歷以下五個步驟：①駕駛員行駛車輛至車位旁，做好基礎準備并啟動自主泊車系統：②計算平臺給出指令，自動泊車系統據此控制方向盤，使車輛倒入相應車位；③車輛前后輪處于同一水平線時，自動泊車系統會回正方向，確保車輛向后進行；④自動泊車系統逆時針轉動方向盤并向后行進，確保車輛前端回轉到車位中；⑤駕駛員檢查車輛是否停在合適的位置，必要時前后移動車輛。自動泊車系統包含了轉向控制、自動剎停等功能，若駕駛員的技術還不夠熟練，這些功能儲備能夠為準確泊車提供支持。可以預見的是，未來的泊車環境將會越來越復雜，自動泊車系統需要不斷進步，才能更好地應對泊車難度上升的問題。

3.2 倒車輔助系統

在行駛過程中，大部分駕駛員都會借助后視鏡觀察車輛周圍環境，做出相應的判斷。但這存在一定的安全隱患，一方面，后視鏡存在視覺盲區，無法全方位呈現車輛周圍環境情況，另一方面，后視鏡失真問題也會對汽車安全行駛造成不利影響。為保障行車安全，倒車輔助系統的各類產品開始涌現，彌補了后視鏡的不足。當前，倒車輔助系統主要可劃分為紅外線式、電磁感應式、超聲波式、超聲波與機器視覺配合式這四大類。其中，紅外線式倒車輔助系統出現較高，有著成本低、性能穩定、電路簡單的特點，其測距原理與超聲波測距原理相似；電磁感性式倒車輔助系統存在短板，即當車輛處于靜態，電池感應現象并不會出現，也就無法檢測車輛周圍的障礙物；超聲波式倒車輔助系統正處于普及階段，這一類型的倒車輔助系統具有測量范圍廣、測距精度高、抗干擾性強等優點；超聲波與機器視覺配合式倒車輔助系統是未來倒車輔助系統發展的主要趨勢，其融合兩種技術的優勢，有著性能好、難度低的特點。

3.3 自動緊急制動系統

自動緊急制動系統實質上是一種主動安全技術，其所具備的預警功能及主動防撞功能，能夠避免汽車在行駛過程中發生碰撞，保障駕駛員及乘客的人身安全。自動緊急制動系統主要包含測距、數據分析處理、執行機構三大模塊，在車輛行駛過程中，測距模塊會收集出車輛及其周圍環境的信息，反饋給數據分析處理模塊，對比收集到的數據信息與系統數據，最后執行機構模塊根據對比結果做出相應的動作，包括主動剎車燈、警告等。

當前，汽車測距方式主要有激光雷達、攝像頭、超聲波雷達等，在上述測距方式中，超聲波雷達的優勢顯著，不僅識別的范圍更大，還能更好地預防外界干擾，在自動緊急制動系統中的應用日益廣泛。在車輛低速行駛時，面對各類突發情況，駕駛員有足夠的時間做出反應，并不需要啟動自動緊急制動系統。因此，數據處理分析模塊的工作流程為：①判斷車速是否小于預設速度，小于則不啟動自動緊急制動系統，大于則進入下一步；②計算兩車間距，判斷車距是否小于報警距離，若不小于，則繼續計算兩車間距，若小于，則進入下一步；③判斷兩車間距是否小于安全距離，若不小于，則報警，若小于，則自動剎車。當兩車間距小于安全距離，中央控制器會發出信號，自動緊急制動系統就會啟動，這便是執行機構模塊。相關統計顯示，汽車追尾事故在汽車相撞事故中的占比較高。車輛行駛過程中，若能減少駕駛員對突發情況的反應時間，使其更快得出正確的應對方法，則能降低安全事故發生的概率，挽回個人及社會的經濟損失，減少人員傷亡。

3.4 前方防碰撞預警功能

前方防碰撞預警功能的工作原理為：①由超聲波雷達識別車距，測量汽車與障礙物的距離；②對收集到的數據信息進行分析處理；③執行機構做出相應的動作。比如，通過獲取、分析距離信息，判斷出車輛存在碰撞危險，系統會給出警告提示。

3.5 變道輔助系統

變道輔助系統的工作原理為：①由汽車左右兩側的超聲波雷達檢測車輛周圍環境，判斷是否有運動車輛或是障礙物；②分析車輛與其他車輛或障礙物是否存在碰撞風險，若無風險，則進行變道操作。

3.6 全速自適應續航系統

全速自適應續航系統的有序運行離不開ABS系統、ACC系統、發動機控制系統的相互配合，這一裝置由超聲波雷達與攝像頭構成，能夠使車輛保持安全距離。當汽車速度超過25km/h，全速自適應續航系統便能啟動，完成起步、跟隨前車停車等工作，有著顯著的智能化特點。但在實際駕駛過程中，駕駛員也不能過于依賴全速自適應續航系統，而應保持專注，認真觀察路況。

4 超聲波雷達在智能網聯汽車中的應用發展趨勢

當前，中國汽車工業正處于高速發展的階段，在未來，“超聲波雷達+環視系統”勢必會更為行業主流技術。首先，現階段的超聲波雷達技術尚不成熟，還存在著視覺死角，這會影響到自動泊車系統、倒車輔助系統等的運行，與環視系統相互配合則能解決這一問題。其次，從智能網聯汽車的發展需求角度來看，超聲波雷達與環視系統的融合是必然的，能夠推動智能網聯汽車的進一步發展。再次，超聲波傳感器的性價比高，以這一技術為基礎，環視系統為輔助，能夠降低綜合成本，提高產品的競爭力。最后，超聲波雷達與環視系統存在耦合性，兩者的融合能夠降低系統冗余度。

綜上所述，隨著智能網聯汽車的發展，超聲波雷達技術也迎來了發展機遇。借助超聲波雷達技術完善汽車的自動泊車系統、倒車輔助系統、自動緊急制動系統、前方防碰撞預警功能、變道輔助系統以及全速自適應續航系統，既提高了汽車行駛的安全性，保障了駕駛員及乘客的人身安全，又能推動汽車的智能化，實現完全自動駕駛。

參考文獻：

[1]張萬軍.智能網聯汽車傳感器與車載網絡傳輸技術[J].電子技術與軟件工程，2023（01）：37-40.

[2]陸人定.智能網聯汽車環境感知技術應用場景分析[J].汽車電器，2022（12）：1-3.

[3]陳艷梅，薛亮.智能網聯汽車環境感知技術揭秘[J].汽車與配件，2022（17）：59-63.

[4]徐曉宇，邱志卓，劉秋生.基于多傳感器融合的智能網聯汽車常見故障診斷[J].汽車維護與修理，2022（10）：70-72.

[5]周曉飛.智能網聯汽車基礎（五）——先進駕駛輔助系統（下）[J].汽車維修與保養，2022（03）：72-75.