自动驾驶TPM技术杂谈 ———— 超声波雷达系统测距

概述

 超声波雷达是利用声波（一种机械波，速度340m/s @空气）在空气中传播，遇到障碍物会把部分声波进行折回，超声波雷达再对折回的声波进行接收，通过信号处理可以得到：
   1. TOF(飞行时间），依此可以计算障碍物的距离
   2. 几个探头自发自收，自发他收，三角定位后就可以把距离转化为坐标
   3. 回波的特性是有一定规律性的，如果能找到些内在规律，就可以对典型物体进行学习，高低判断，甚至物体分类学习。
 所以，超声波对于用户或者系统来说，它的主要价值就是提供近距离感知信息。

参数

传播速度(v)

 超声波在介质传播过程中，是收到介质和温度的影响的。考虑到超声波雷达的实际工作场景，介质可以认为是空气，因此在考虑传播速度时可只考虑温度对传播速度的影响。传播速度随着温度(t)的升高而加快。在0℃时，超声波的传递速度约为331m/s。此时传播速度计算公式约为
      v= 331 + 0.6t

测量误差

 在同一条件下，传播速度v是固定的。假设超声波的波长为λ，频率为f，则传播速度的计算公式也可表示为：
      v= λ * f
 按照此计算公式，如果超声波的频率f高，那么波长λ短。波长短则测距误差小。理论上，超声波的距离测量误差理论值为5~10mm。

飞行时间

 超声波飞行时间ToF为发射到接收回波的时间差。由此可得距离s的计算公式为：
      s= v * ToF/2

工作模式

直接测量

 直接测量是指使用某一个超声波雷达自发自收，获取DE信号（Direct Echo）

间接测量

 间接测量是指使用某一个超声波雷达发波，多个雷达收波，也包含发波雷达，获取CE信号（Cross Echo）。在此模式下，超声波雷达应当在相同的频率下工作。

探测时序

 传感器的工作时序需要考虑安装相邻的传感器相互配合，获取DE和CE信号，且不能相互干扰。这里需要引入另外一个概念 —— 同频干扰。也就是说，如果所有超声波一起工作，一起发波，此时收波的雷达是认为真的回波到了还是其他雷达的发波信息。对于超声波来讲，它是无法进行区分的。这里就必须引进另外一个参数 —— 探测时序。

 为了保证正常左右两边均能进行障碍物探测，所以探测时序一般遵从左右。以上图示例来讲，可以是1 -> 3 -> 2 -> 4 -> 1这种顺序。另外，对于不同速度状态下，探测周期也是存在着差异的。对于低速状态下的高速，探测周期应比低速下的低速要小。

 有没有其他的方案来避免探测时序的问题，从理论上讲是存在的。这里需延伸出另一个信息 —— AK1与AK2。

AK1

 基于定频驱动方案的USS传感器，典型的是elmos 524.09的ASIC方案。

AK2

 基于变频编码驱动方案的USS传感器，并且在传感器尺寸和功能安全上有要求，典型的是elmos 524.17的ASIC方案。

 引入探测时序的问题是为了避免同频干扰。如果使用AK2类型的超声波雷达，在超声波发波的过程中对于本身的频率进行修改，则可以实现所有超声波雷达同时发波收波的工作。此时就不需要探测时序。