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來源：汽車博士之家，文：黃博士 自動(dòng)泊車系統(tǒng)（二） 超聲波感知技術(shù)探秘 經(jīng)過上周對(duì)于自動(dòng)泊車系統(tǒng)（APS）的介紹，相信大家對(duì)于這套系統(tǒng)的工作原理已經(jīng)有所了解。在接下來的文章中將會(huì)分別對(duì)APS三大系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行介紹，讓大家對(duì)于APS有更加深刻、全方位的認(rèn)識(shí)。  環(huán)境感知系統(tǒng)在APS中起著搜集環(huán)境信息的作用，相當(dāng)于汽車的“眼睛”和“耳朵”。 超聲波傳感器是感知系統(tǒng)中重要的一環(huán)，它可以準(zhǔn)確地測(cè)出車輛與周圍物體的距離信息， 協(xié)助其他感知設(shè)備生成汽車的位置信息。
讓我們來一探究竟吧！  為什么超聲波能夠測(cè)距？ 超聲波是機(jī)械波的一種，頻率高于20kHz，超出人耳能夠聽到的聲波的頻率范圍。 超聲波能用于測(cè)距是由其物理性質(zhì)決定的。超聲波反射能力強(qiáng)、方向性好，使其成為測(cè)距的理想選擇。  蝙蝠等一些無目視能力的生物利用超聲波作為防御天敵及捕獲獵物的生存手段，這些生物體一方面發(fā)射超聲波，一方面接收獵物或障礙物的反射回波，根據(jù)時(shí)間間隔及強(qiáng)弱，判斷獵物的性質(zhì)或障礙物的位置。  同理，人類利用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距也是可以分為三個(gè)過程：   02 超聲波傳感器如何產(chǎn)生和接收超聲波？ 目前最常用的是壓電式超聲波傳感器，它是利用壓電晶體的共振來工作的。  該傳感器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號(hào)，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。  反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將迫使壓電晶片振動(dòng)，根據(jù)正壓電效應(yīng)在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來，這時(shí)它就成為超聲波接收器。  本文介紹的是同一個(gè)傳感器兼作發(fā)生器和接收器，一些超聲波傳感器也會(huì)將發(fā)生器和接收器分開，但兩者的結(jié)構(gòu)基本相同。  03 距離信息是怎樣生成的？ 目前將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為距離信息的方法有三種。 相位檢測(cè)：通過測(cè)量發(fā)射端與接收端信號(hào)之間相位差來實(shí)現(xiàn)測(cè)距，其精度雖高，但實(shí)時(shí)性差，計(jì)算復(fù)雜。 幅值檢測(cè)：超聲波在空氣中傳播時(shí)其振幅是按比例不斷衰減的，通過測(cè)量所發(fā)送和接收的超聲波振幅差，以此來計(jì)算出傳播距離，這種測(cè)距方式受環(huán)境影響大，測(cè)距精度不足； 時(shí)間渡越檢測(cè)：測(cè)量超聲波發(fā)出到接收的時(shí)間差t，就可計(jì)算目標(biāo)障礙物距信號(hào)發(fā)射源的距離d，這種方法容易實(shí)現(xiàn)，并且精確度高。計(jì)算公式為: d = vt /2 其中，v為超聲波波速( m /s)。 04 超聲波測(cè)距有哪些局限性？ ①有測(cè)量盲區(qū) 超聲波傳感器發(fā)射信號(hào)后，壓電晶片存在一定的余振，如果這時(shí)立即打開接收電路，余振會(huì)引起誤判斷。因此一般發(fā)射信號(hào)后會(huì)延遲一段時(shí)間再打開接收電路，這段延遲時(shí)間就導(dǎo)致了測(cè)量盲區(qū)的產(chǎn)生。 ②測(cè)量精度易受環(huán)境影響 超聲波的傳播速度受溫度、壓力、濕度等環(huán)境因素的影響而變化，其中溫度的影響最為明顯，溫度每升高1℃，聲速增加約0.6m/s。因此為了保證測(cè)量精度，必須經(jīng)常對(duì)聲速進(jìn)行校正。 ③測(cè)量距離有限 超聲波接收器受到的回波信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨測(cè)量距離的增大大幅降低。受超聲波發(fā)射功率和損耗的限制，目前國內(nèi)超聲波傳感器的最大測(cè)量距離一般不超過15m。 不同于激光雷達(dá)、攝像頭識(shí)別系統(tǒng)等感知元件，超聲波傳感器價(jià)格低廉。大家可以購買一個(gè)超聲波探頭，配合單片機(jī)，自己就能制作一個(gè)簡(jiǎn)易超聲波感知系統(tǒng)。 |
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