村田超聲波傳感器的基本知識(shí)、最新進(jìn)展、以及在ADAS中的的應(yīng)用

新一代汽車(chē)是未來(lái)市場(chǎng)的一大支柱，消費(fèi)者關(guān)注的不僅僅是高性能的電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)，近年來(lái)，智慧出行概念以及新一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)也備受關(guān)注。

所謂智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)，是指通過(guò)搭載先進(jìn)裝置收集車(chē)體狀態(tài)和路面狀態(tài)的各種信息，融合通訊技術(shù)來(lái)提高駕駛安全性的汽車(chē)類(lèi)型。

也就是說(shuō)，未來(lái)的汽車(chē)要能夠眼觀六路、耳聽(tīng)八方。

推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)、駕駛?cè)詣?dòng)化的核心技術(shù)被簡(jiǎn)稱(chēng)為V2X：

車(chē)輛間通訊（V2V：Vehicle to Vehicle）

車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互相通信(V2I: Vehicle to Infrastructure)

V2X技術(shù)構(gòu)建高效的交通系統(tǒng)，能快速獲得即時(shí)路況，更能有效地防止交通事故等，實(shí)現(xiàn)最高階的完全自動(dòng)化駕駛（ADAS）。

視頻1. ADAS發(fā)展的五個(gè)階段 上面這段視頻介紹自動(dòng)駕駛的不同發(fā)展階段，無(wú)論是“Level 0”全人工駕駛泊車(chē)，還是高階的完全自動(dòng)化駕駛“Level 5”（未來(lái)無(wú)人“車(chē)隊(duì)”智慧出行商業(yè)模式），總是出現(xiàn)超聲波傳感器的身影。 其實(shí)，超聲波傳感器輔助駕駛員泊車(chē)（PAS）的歷史比車(chē)載攝像機(jī)還早一些。而現(xiàn)在，已實(shí)用的輔助駕駛?cè)詣?dòng)泊車(chē)，就是充分發(fā)揮超聲波傳感器和攝像機(jī)組合。 小QUIZ： 你知道停車(chē)輔助系統(tǒng)（PAS）中必不可少的超聲波傳感器使用了村田的哪兩個(gè)技術(shù)嗎？

停車(chē)輔助系統(tǒng)（PAS）

必不可少的超聲波傳感器

使用了村田的

傳感技術(shù)和

壓電陶瓷處理技術(shù)

下面就為你介紹村田超聲波傳感器的基本知識(shí)、最新進(jìn)展、以及在ADAS中的越來(lái)越重要的應(yīng)用。

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什么是超聲波傳感器？

超聲波通常是指頻率超過(guò)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的低頻可聽(tīng)范圍（0 Hz至20 kHz）的聲波。

其中：

v:音速346m/s （@25℃）

f:頻率

λ:波長(zhǎng)

超聲波的發(fā)聲原理是利用壓電陶瓷具有根據(jù)電壓方向膨脹和收縮的特征，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為陶瓷振動(dòng)，通過(guò)陶瓷的反復(fù)膨脹和收縮讓空氣振動(dòng)，并發(fā)出超聲波。

實(shí)際使用中，超聲波傳感器將電信號(hào)施加到超聲波換能器（發(fā)射器），通過(guò)膨脹和收縮壓電陶瓷，發(fā)射超聲波；然后，再由接收器接收超聲波并轉(zhuǎn)換為用于分析的電信號(hào)并加以各種應(yīng)用。

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超聲波的特性

為什么利用分析超聲波信號(hào)就能檢測(cè)物體的距離、檢測(cè)物體是否存在、以及檢測(cè)物體移動(dòng)？ 這是由聲波的特性所決定的。因?yàn)槁暡ǖ膫鞑ニ俣纫蚪橘|(zhì)而異，并且，聲波還具有通過(guò)介質(zhì)的聲阻抗來(lái)反射和透射的特性。比如，

音速會(huì)隨著彈性模量的增加而增加。音速＝彈性模量/密度，液體和固體中的音速比氣體更快；

空氣中的音速受溫度的影響?？諝庵械囊羲貱=331.5+0.6T [m/s]，其中，C是空氣中的音速，T是氣溫(℃)；

由于聲阻抗Zo＝ρ?Ｃ（其中ρ是介質(zhì)密度、Ｃ是介質(zhì)中的音速），所以，當(dāng)介質(zhì)的聲阻抗差較大時(shí)，反射增加，當(dāng)聲阻抗差較小時(shí)，發(fā)生透射。

聲波在不同介質(zhì)界面發(fā)生反射與透射

不同物體由于組成材料不同，都具有其各自固有的、不同的聲阻抗和音速。也就是說(shuō)，介質(zhì)中的音速、聲阻抗是表示聲音傳播容易程度的數(shù)值。反之，通過(guò)發(fā)射和收集這些參數(shù)，就能用來(lái)判斷聲波說(shuō)碰到的“障礙物”界面的空間情況。

各種介質(zhì)中的音速和聲阻抗

當(dāng)然，實(shí)際將聲波應(yīng)用在探測(cè)中，還必須對(duì)其方向性、分辨率和頻率衰減有更詳細(xì)的了解和建模。 ◆方向性 超聲波傳感器具有從頂部表面開(kāi)始的圓錐形方向性，將方向性定義為從正面聲壓到-6dB。與光學(xué)傳感器相比，方向性更寬，但是具有頻率越高則方向性越尖銳的特征。

◆分辨率：頻率越高則分辨率越高。 ◆衰減：頻率越高則衰減越大，到達(dá)距離越短。

超聲波具有傳播速度因傳播介質(zhì)而異、方向性和分辨率因頻率而異的特性。這些性能會(huì)影響測(cè)量距離、精度和檢測(cè)范圍。

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超聲波的應(yīng)用

由于超聲波的傳播速度因介質(zhì)而異，導(dǎo)致在介質(zhì)之間發(fā)生超聲波透射或反射?？梢灾饕ㄟ^(guò)使用這種反射來(lái)檢測(cè)物體的存在、狀態(tài)和距離。 比如，距離可以通過(guò)測(cè)量超聲波反射時(shí)間來(lái)計(jì)算：測(cè)量從發(fā)射開(kāi)始到接收到反射波為止的時(shí)間，然后：時(shí)間x音速=到物體的距離（往返）。

超聲波檢測(cè)距離的原理示意 由于不受顏色的影響，因此，即使是透明玻璃和亞克力，也可以作為反射介質(zhì)，不用識(shí)別反射材料的顏色等物理表觀性質(zhì)。這是超聲波傳感與攝像機(jī)在車(chē)載應(yīng)用中的一個(gè)顯著區(qū)別。 應(yīng)用相同傳播原理，通過(guò)識(shí)別是否有反射波可以檢測(cè)物體是否存在。因此，可以用無(wú)接觸方式檢測(cè)物體是否存在，可以在方向性范圍內(nèi)大范圍檢測(cè)是否存在物體。 超聲波還可以通過(guò)聲波的波動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。 這是因?yàn)橐苿?dòng)物體對(duì)波產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，反射波和直達(dá)波頻率不再相同。當(dāng)發(fā)射和接受分別使用不同的傳感器時(shí)，反射波和直達(dá)波的合成信號(hào)產(chǎn)生變化，利用這個(gè)聲場(chǎng)變化就能檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)。 下面，我們看看超聲波傳感器在汽車(chē)上的應(yīng)用。

視頻2. 村田三端子超聲波傳感器提升ADAS體驗(yàn)

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汽車(chē)PAS應(yīng)用

超聲波傳感器是最早的輔助駕駛應(yīng)用。汽車(chē)的停車(chē)輔助系統(tǒng)（PAS）使用超聲波傳感器測(cè)量車(chē)輛與障礙物（例如墻壁）的距離，并將接近程度通知駕駛員。

PAS系統(tǒng)工作原理大致分為以下三步：

發(fā)射脈沖信號(hào)，超聲波從障礙物反射，根據(jù)到接收到反射波為止的時(shí)間測(cè)量距離。

發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)，將發(fā)送時(shí)鐘脈沖，并使用時(shí)鐘測(cè)量時(shí)間。

反射時(shí)間(s) x 音速（340m/s）=到障礙物的距離（往返）

PAS應(yīng)用所需的特性，不僅是要能夠即時(shí)檢測(cè)到后方的墻壁等大面積的障礙，還需要判斷“緣石”的影響；另外，車(chē)載超聲波傳感器要盡量以一個(gè)裝置去覆蓋最大的面積，以減少裝置數(shù)量； 最后，PAS系統(tǒng)還需要能夠檢測(cè)到極端靠近的距離，這對(duì)所使用的超聲波傳感器的方向性能提出更高要求，即垂直方向上較窄，在水平方向上較寬，而余響時(shí)間更短。

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汽車(chē)ADAS應(yīng)用

自動(dòng)駕駛Level 3是ADAS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（視頻1）。從ADAS Level3開(kāi)始，車(chē)輛就被真正“交給”了軟件、算法、和傳感器，產(chǎn)品和技術(shù)的性能、可靠性和精度舉足輕重。而實(shí)際上，現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)能力仍可能帶來(lái)誤差和不精準(zhǔn)，不能避免意料之外的路況造成的事故。

而當(dāng)ADAS進(jìn)入Level 4（高階自動(dòng)駕駛），駕駛員將很少參與駕駛過(guò)程，車(chē)輛進(jìn)入全自動(dòng)的巡航狀態(tài)，ADAS需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的周?chē)h(huán)境，使用各種傳感器，比如雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像機(jī)、超聲波傳感器。

此時(shí)，不僅對(duì)單個(gè)傳感器的性能和品質(zhì)有非常高的要求，還需要進(jìn)行軟件/算法的組合，通過(guò)組合、優(yōu)化、綜合分析各種傳感器的數(shù)據(jù)，擴(kuò)大檢測(cè)范圍，縮短盲區(qū)，提高自主駕駛的安全性。

村田的傳感技術(shù)和壓電陶瓷處理技術(shù)，很早即應(yīng)用在停車(chē)輔助系統(tǒng)（PAS），村田的超聲波傳感器在距離車(chē)輛幾米范圍內(nèi)發(fā)揮監(jiān)測(cè)作用，早已用于自動(dòng)停車(chē)系統(tǒng)，包括低速自動(dòng)駕駛。

進(jìn)入高端自動(dòng)駕駛時(shí)代，為了提高安全性，汽車(chē)行業(yè)對(duì)超聲波傳感器的要求也越來(lái)越高，不僅需要提高產(chǎn)品本身的可靠性，擴(kuò)大檢測(cè)范圍（特別是汽車(chē)周?chē)嚯x），而且，為了快速檢測(cè)汽車(chē)周?chē)闆r，還需要通過(guò)Coding技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)超聲波探頭同時(shí)檢測(cè)周?chē)h(huán)境。 為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器優(yōu)異的耐久性，穩(wěn)定的近距離檢測(cè)，村田近年來(lái)從產(chǎn)品的構(gòu)造，制程開(kāi)始進(jìn)行改善。目標(biāo)是，單個(gè)超聲波探頭的近距離檢測(cè)，從目前的25cm縮短到10cm以下。

村田在實(shí)現(xiàn)10cm以下的檢測(cè)上使用了主動(dòng)阻尼技術(shù)，大大提高短距離檢測(cè)能力。

主動(dòng)阻尼技術(shù)提高短距離檢測(cè)能力（請(qǐng)參考視頻2）

通過(guò)抑制超聲波發(fā)射后的余震時(shí)間，可以檢測(cè)到10cm以下距離處反射回來(lái)的回波信號(hào)。

村田近距離超聲波傳感器產(chǎn)品目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例

在不久的將來(lái)，村田計(jì)劃向市場(chǎng)提供這種技術(shù)的產(chǎn)品。

原文標(biāo)題：關(guān)于ADAS中的超聲波傳感器，想知道的都在這兒~

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