超声波雷达在智能网联汽车中的应用分析

摘 要：近年来，我国汽车工业发展势头迅猛，汽车的保有量显著增多，汽车主动安全性能问题也日益受到人们的关注。智能网联汽车是联合了车联网与智能车的新一代汽车，搭载了先进的传感器、执行器、控制器等装置，有着节能、高效、安全、舒适等特点。环境感知和控制等系统的搭载保障了智能网联汽车的安全性，其能感知、追踪、识别与行车安全有关的物体、生物、环境等，为车主提供安全指导。而超声波雷达是环境感知和控制等系统的信息源，在提高汽车主动安全性能方面发挥了重要作用。本文主要介绍了智能网联汽车的背景信息，分析了超声波雷达的定义、类型、特点、性能、劣势与测距原理，以及超声波雷达在智能网联汽车中的具体应用与应用发展趋势。

关键词：超声波雷达 智能网联汽车 应用技术 发展趋势

随着汽车保有量的逐年增加，交通事故的发生也愈加频繁。相关调查研究显示，行车遇到危险时，驾驶员的反应时间过长是导致事故发生或加重事故危害的主要原因之一。车载雷达及其相关技术的使用能够加快车与人、车与路、人与路之间的信息传递，缩短驾驶员的反应时间，提高汽车的主动安全性能。因此，对雷达传感器进行深入研究是十分必要的。在雷达技术的支持下，自动泊车系统、自动紧急制动系统、变道辅助系统、前方防碰撞预警功能、倒车辅助系统等不断完善，为人们的安全出行提供了保障，也推动了智能交通管理的形成。一般情况下，雷达传感器对行驶环境的感知需要经过收集车辆及其周围环境信息、对数据信息进行分析处理的过程。智能网联汽车上的传感设备主要有激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达三大类。本文主要以超声波雷达为研究对象，探索了超声波雷达的性能、工作原理及具体应用，旨在充分利用超声波雷达，增强智能网联汽车对驾驶环境的感知，保障人们的安全出行。

1 智能网联汽车背景分析

影响汽车行驶状态的因素较多，驾驶员的状态就是其中之一。近年来，我国机动车驾驶人数量持续增多，驾驶人技术则参差不齐，趋于成熟的无人驾驶系统显然更加可靠。智能网联汽车自动驾驶的实现离不开环境检测技术，这一技术的应用能够让智能网联汽车具有良好的感知与定位性能，传感器的增加则能满足控制需求。当前，基于环境感知与定位技术的智能网联汽车自动驾驶路径规划包含了感知、规划、处理、执行四大部分，环境检测的准确度与智能网联汽车的可靠性有直接关联，要实现准确、稳定的智能网联汽车环境感知，应搭建联合仿真平台，借此深入研究环境感知与定位技术，推动智能网联汽车的发展。

2 超声波雷达

2.1 超声波雷达的定义

超声波，即超过20000Hz的机械波，这一声波并不在人类耳朵可以感知的频率范围内，有着能量大、衰减小、可定向传播、方向性好等特点。当前，超声波在诸多领域都有应用，包括医学领域、农业领域、工业领域等。超声波雷达则是一类根据超声波特性研制而成的传感器，俗称“倒车雷达”。在超声波频率范围内，超声波雷达能够将外界声场中的声信号转换为电信号，或是将交变的电信号转换成声信号。在汽车驻车、倒车时，超声波雷达能够以声音或显示器传递周围环境信息，帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷。

2.2 超声波雷达的类型

车载超声波传感器有短程、远程之分，短程超声波传感器的安装部位为前后保险杠，作用为测量车辆的前后物体，探测范围为25毫米到2.5米，受温度的影响小，探测结果真实可靠，配备数量一般为8个；远程超声波传感器的安装部位为车身左右两面，作用为测量车辆左右两侧的物体，探测范围为35厘米到5米，不易受到其他传感器的干扰，配备数量一般为4个。

超声波雷达可划分为机械超声波雷达、固态超声波雷达、半固态超声波雷达三类，区别三者的关键在于判断其是否存在机械旋转机构。机械超声波雷达的内部结构复杂，包含了旋转机构，多安装在汽车顶部。尽管机械超声波雷达的成本较高，但其能360°感知障碍物，且测量精度高、成像快。当前，机械超声波雷达尚未实现大批量生产，多见于自动驾驶汽车与无人车的研发。固态超声波雷达主要由集成电路等电子部件组成，没有机械旋转机构，且固态超声波雷达不能单独使用，需要多个相互配合，以全方位感知物体。尽管如此，固态超声波雷达的个头小、成本低，已实现大批量生产，应用极为广泛。在机械超声波雷达中，机械旋转机构的作用主要为旋转超声波发射装置和接收装置。虽然半固态超声波雷达内部不存在机械旋转机构，但使用了其他的机械运动部件。与固态超声波雷达相同，半固态超声波雷达也有着个头小、成本低的特点，在各类车型上都有应用。

2.3 超声波雷达的特点

超声波雷达主要具备以下6大特点：①适用于短距离测量，在倒车装置、泊车装置中运用有显著优势；②个头小、成本低，能够进行简单的信息分析处理；③频率相对固定，主要有58kHz、45kHz、40kHz三种频率，频率越高灵敏度越高，但探测角度越小，故频率40kHz的雷达最为常用；④分辨率高；⑤在反射率足够的前提下，车载超声波雷达的探测距离可达到200米到300米；⑥相较于微波，超声波雷达能够获取更多的信息，并创建多维度图像。

2.4 超声波雷达必须具备的性能

超声波雷达常被人们叫做“倒车雷达”，这是因为在车辆倒车时，超声波雷达发挥了重要作用，其会感知、探测车尾有无干扰物，给予驾驶人科学的指导。笔者认为。超声波雷达必须具备的性能主要有以下三点：①频率具有固定性：②整体结构简单化且尽可能缩减体积，这样才能在降低成本的同时提高感知预处理的可靠性；③提高感知灵敏度的针对性，能够抵抗自然环境的干扰。只有具备上述性能，超声波雷达才能长效发挥感知作用，保障行车的安全性。

2.5 超声波雷达的劣势

当前，车载超声波雷达主要有三大缺点：①探测范围有限，无法预判一些突发情况，如动物突然跑到车后；②由于超声波雷达只能测量距离而不能测量方位，随着车辆速度的提升，超声波雷达对环境感知的准确度会有所下降，要解决这一问题，需要增加超声波雷达的安装数量；③超声波雷达的感知效果还受到地面平整度的影响，若地面凹凸不平，则会降低感知的准确性。鉴于此，相关人员应对超声波雷达性能的提升进行深入研究，提高智能网联汽车的主动安全性能。

2.6 超声波雷达的测距原理

一般来说，车载超声波雷达主要由超声波发射装置、超声波接收装置、拔插开关构成。为确保向外辐射的超声波能够在碰到障碍物后发生反射且被接收装置收到，发射装置与接收装置应处于同一平面。在收到回波信号后，超声波接收装置会放大、检测、分析处理回波信号，由车载智能系统的中央处理器进行解析，测量出发射到接收所需的时间，再计算出车辆与障碍物之间的距离。在超声波雷达工作时，数据线主要发挥着传递数据信息的作用。

具体来说，超声波雷达测距主要包括四大流程：①超声波发射器向外辐射超声波脉冲；②超声波接触障碍物并反射；③超声波接收装置接收反射波；④相关信息上传车载智能系统，由中央处理器进行解析，计算出车辆到障碍物的距离。需要注意的是，中央处理器计算出的汽车到障碍物之间的距离与实际距离有时会存在偏差，这是因为障碍物的体积、形状、材料等会影响超声波的波长与频率，导致测量数据出现误差，但误差一般不超过10cm。上文提到，短程超声波传感器的探测范围为25毫米到2.5米，远程超声波传感器的探测范围为35厘米到5米，这不仅说明超声波雷达不适合远距离探测，也意味着超声波雷达不能有效感知紧贴车辆外表面的物体。鉴于此，在启动车辆之前，驾驶员有必要自行检查车辆前后是否存在障碍物。

3 超声波雷达在智能网联汽车中的具体应用

3.1 自动泊车系统

通俗来说，自动泊车系统就是不用人工干预，自动让车辆停入车位的系统。在自动泊车过程中，超声波雷达发挥了重要作用：先由超声波雷达对车辆周围环境进行识别，找到停车位；再自主控制车辆的速度、朝向、档位等，让车辆顺利驶入停车位。自动泊车系统包含了四大模块，分别为执行机构、泊车控制器、环境感知模块以及人际交互模块。自动泊车时，环境感知模块会完成避免障碍物、寻找停车位等工作；随后，泊车控制器会利用环境感知模块收集的数据信息发出控制指令，规划出合理的泊车路径；由此，执行机构根据指令实施操作，并实时反馈车辆的各类数据信息，支持环境感知模块的运行，确保车辆安全驶入停车位。

具体实践中，驾驶员需要经历以下五个步骤：①驾驶员行驶车辆至车位旁，做好基础准备并启动自主泊车系统：②计算平台给出指令，自动泊车系统据此控制方向盘，使车辆倒入相应车位；③车辆前后轮处于同一水平线时，自动泊车系统会回正方向，确保车辆向后进行；④自动泊车系统逆时针转动方向盘并向后行进，确保车辆前端回转到车位中；⑤驾驶员检查车辆是否停在合适的位置，必要时前后移动车辆。自动泊车系统包含了转向控制、自动刹停等功能，若驾驶员的技术还不够熟练，这些功能储备能够为准确泊车提供支持。可以预见的是，未来的泊车环境将会越来越复杂，自动泊车系统需要不断进步，才能更好地应对泊车难度上升的问题。

3.2 倒车辅助系统

在行驶过程中，大部分驾驶员都会借助后视镜观察车辆周围环境，做出相应的判断。但这存在一定的安全隐患，一方面，后视镜存在视觉盲区，无法全方位呈现车辆周围环境情况，另一方面，后视镜失真问题也会对汽车安全行驶造成不利影响。为保障行车安全，倒车辅助系统的各类产品开始涌现，弥补了后视镜的不足。当前，倒车辅助系统主要可划分为红外线式、电磁感应式、超声波式、超声波与机器视觉配合式这四大类。其中，红外线式倒车辅助系统出现较高，有着成本低、性能稳定、电路简单的特点，其测距原理与超声波测距原理相似；电磁感性式倒车辅助系统存在短板，即当车辆处于静态，电池感应现象并不会出现，也就无法检测车辆周围的障碍物；超声波式倒车辅助系统正处于普及阶段，这一类型的倒车辅助系统具有测量范围广、测距精度高、抗干扰性强等优点；超声波与机器视觉配合式倒车辅助系统是未来倒车辅助系统发展的主要趋势，其融合两种技术的优势，有着性能好、难度低的特点。

3.3 自动紧急制动系统

自动紧急制动系统实质上是一种主动安全技术，其所具备的预警功能及主动防撞功能，能够避免汽车在行驶过程中发生碰撞，保障驾驶员及乘客的人身安全。自动紧急制动系统主要包含测距、数据分析处理、执行机构三大模块，在车辆行驶过程中，测距模块会收集出车辆及其周围环境的信息，反馈给数据分析处理模块，对比收集到的数据信息与系统数据，最后执行机构模块根据对比结果做出相应的动作，包括主动刹车灯、警告等。

当前，汽车测距方式主要有激光雷达、摄像头、超声波雷达等，在上述测距方式中，超声波雷达的优势显著，不仅识别的范围更大，还能更好地预防外界干扰，在自动紧急制动系统中的应用日益广泛。在车辆低速行驶时，面对各类突发情况，驾驶员有足够的时间做出反应，并不需要启动自动紧急制动系统。因此，数据处理分析模块的工作流程为：①判断车速是否小于预设速度，小于则不启动自动紧急制动系统，大于则进入下一步；②计算两车间距，判断车距是否小于报警距离，若不小于，则继续计算两车间距，若小于，则进入下一步；③判断两车间距是否小于安全距离，若不小于，则报警，若小于，则自动刹车。当两车间距小于安全距离，中央控制器会发出信号，自动紧急制动系统就会启动，这便是执行机构模块。相关统计显示，汽车追尾事故在汽车相撞事故中的占比较高。车辆行驶过程中，若能减少驾驶员对突发情况的反应时间，使其更快得出正确的应对方法，则能降低安全事故发生的概率，挽回个人及社会的经济损失，减少人员伤亡。

3.4 前方防碰撞预警功能

前方防碰撞预警功能的工作原理为：①由超声波雷达识别车距，测量汽车与障碍物的距离；②对收集到的数据信息进行分析处理；③执行机构做出相应的动作。比如，通过获取、分析距离信息，判断出车辆存在碰撞危险，系统会给出警告提示。

3.5 变道辅助系统

变道辅助系统的工作原理为：①由汽车左右两侧的超声波雷达检测车辆周围环境，判断是否有运动车辆或是障碍物；②分析车辆与其他车辆或障碍物是否存在碰撞风险，若无风险，则进行变道操作。

3.6 全速自适应续航系统

全速自适应续航系统的有序运行离不开ABS系统、ACC系统、发动机控制系统的相互配合，这一装置由超声波雷达与摄像头构成，能够使车辆保持安全距离。当汽车速度超过25km/h，全速自适应续航系统便能启动，完成起步、跟随前车停车等工作，有着显著的智能化特点。但在实际驾驶过程中，驾驶员也不能过于依赖全速自适应续航系统，而应保持专注，认真观察路况。

4 超声波雷达在智能网联汽车中的应用发展趋势

当前，中国汽车工业正处于高速发展的阶段，在未来，“超声波雷达+环视系统”势必会更为行业主流技术。首先，现阶段的超声波雷达技术尚不成熟，还存在着视觉死角，这会影响到自动泊车系统、倒车辅助系统等的运行，与环视系统相互配合则能解决这一问题。其次，从智能网联汽车的发展需求角度来看，超声波雷达与环视系统的融合是必然的，能够推动智能网联汽车的进一步发展。再次，超声波传感器的性价比高，以这一技术为基础，环视系统为辅助，能够降低综合成本，提高产品的竞争力。最后，超声波雷达与环视系统存在耦合性，两者的融合能够降低系统冗余度。

综上所述，随着智能网联汽车的发展，超声波雷达技术也迎来了发展机遇。借助超声波雷达技术完善汽车的自动泊车系统、倒车辅助系统、自动紧急制动系统、前方防碰撞预警功能、变道辅助系统以及全速自适应续航系统，既提高了汽车行驶的安全性，保障了驾驶员及乘客的人身安全，又能推动汽车的智能化，实现完全自动驾驶。

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