自动驾驶TPM技术杂谈 ———— 超声波雷达系统测距
文章目录
- 概述
- 参数
- 传播速度(v)
- 测量误差
- 飞行时间
- 工作模式
- 直接测量
- 间接测量
- 探测时序
- AK1
- AK2
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。
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