自动驾驶技术详解⭐连载ing⭐（基础篇）— 超声波传感器原理及应用

Posted 2023-03-04 Coisini_景尧

一、超声波的概念

ps：根据声波频率的范围，声波可分为次声波，声波和超声波。

• 次声波：频率地域16Hz的机械波（人耳听不到，但是会和身体器官产生共振，具有危害性）

• 声波：频率在16 ~ 2 × 10 ^4 Hz之间（人耳可听到）

• 超声波：频率高于2 × 10 ^4 Hz的机械波

  • 起源于生物（仿生学）：蝙蝠，海豚鲸鱼，可通过超声波定位，如下图：
    

• 超声波的公式：
  

  • 图示拆解：
    • c = 光速
    • f = 频率
    • λ = 波长
  • 特点：
    • 频率高，波长短，绕射现象小
    • 方向性好
    • 液体，固体中衰减少，穿透力好
    • 碰到介质分界面会产生明显的反射和折射

• 超声波的衰减：

  • 衰减：
    • 超声波是一种声波，在传播的过程中会有衰减，所以并不是无限制传播，而是传输到一定距离，能量就很弱了，自然就没有回波反射了。
  • 衰减原因：
    • 声波扩散
    • 散射
    • 介质吸收

• 超声波的优势：

  • 超声波是一种机械波，在弹性介质中的机械振荡，对色彩，光照，电磁场不敏感，因此超声波测距系统对黑暗，灰尘，烟幕，有毒等恶劣环境适应能力强。
  • 设计简单，方便
  • 易于计算
  • 实时性好

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二、超声波传感器的原理**

• 超声波传感器组成：

  • 产生超声波
  • 接收超声波
  • 完成以上功能的装置

• 超声波传感器分类 —按工作原理分：

  • 压电式（常用）
  • 磁致伸缩式
  • 电磁式

• 压电式超声波传感器原理：

  • 原理：
    • 利用压电材料的压电效应来工作，压电材料：压电晶体和压电陶瓷
  • 过程：
    • 对压电材料施加 40Hz 的高频电压，压电片根据所加的高频电压极性伸长或缩短，发射频率40KHz的超声波，经过被测物体反射后，接收器接收，在利用压电材料的压电效应，转换为电荷，经测量转换为可以读取的电信号，然后记录和显示结果。

• 压电式超声波传感器结构：

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三、超声波传感器的工作方式***

• 直射式（了解）：
  • 主要应用于工业中：无损检测或者瑕疵检测
    
• 反射式（重点）：
  • 主要用于测距
  • 分类
    • 收发一体：
      
    • 收发分体：
      

三、超声波传感器在汽车中的应用**

• 应用领域：泊车辅助

• 测距原理：

  • 利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离
    
  • 图示拆解：
    • L = 测量距离长度（超声波传感器和障碍物之间的距离）
    • C = 超声波在空气中的传播速度（默认为常数，C=340m/s）
    • T = 测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的1/2）

• 超声波传感器的技术指标：

  • 工作频率：也就是压电晶片共振的频率，当它加到两端的交流电压的频率和晶体片的共振频率相同时，输出能量最大，灵敏度也最高。
    • 常见工作频率：40khz-45khz
  • 灵敏度：主要取决于制造晶体本身，气垫耦合系数大，灵敏度高，反之。
  • 指向性：指向性就是超声波的开括角。通过开括角可以看他能够覆盖多大的探测范围。
    • 指向性解释如下图：
      
    • 图示拆解：
      • 盲区：超声波在发射的时候是一个高压脉冲，高压脉冲结束后的换流器会有一个比较长时间的余震，这些信号根据不同的换能器的时间会有不同，例如：几百微秒-几毫秒。在这个时间内，无法区分发射信号和回波信号，也就产生了盲区。
      • 声波的开括角：覆盖的探测范围
      • 探测范围：可以通过最大开关距离和发射角可以算出。

• 超声波传感器的优势：

  • 不受光线，烟雾，粉尘等环境的影响。
  • 近距离探测精度高
  • 测距原理简单，实时性好
  • 成本低廉，体积小巧

• 超声波传感器的不足：

  • 反射问题：
    • 三小误差：就是当被测物体和超声波传感器成一定角度的时候，所探测到的距离和实际距离有个类似三角形的误差。
    • 镜面误差：光学反射，在特定的角度下发出的波束被光滑的镜面反射出去，无法产生回波。也就无法产生距离读数
    • 多次反射：声波经过多次反射，才能回到传感器被接受。因此探测的距离值并不是真实值。（可通过多个按照一定角度排列的超声波传感器的阵列来解决）
  • 脉冲频率相近噪声干扰：
    • 超声波频率40KHZ±1KHZ频段，当周围环境产生相近频段的噪音，超声波接收器如果接收到作为回波信号，则会误触发~~
  • 串扰问题：
    • 多个超声波传感器在车身安装，产生的超声波串扰，例如：超声波X,Y,Z，X发出的超声波经过镜面反射，被超声波Y和Z接收，然后进行距离计算。

三、超声波传感器测距系统的硬件设计***

• 硬件组成-收发分体式：（举例）
  

  • 超声波发射工作原理：5509ADSP产生伪随机序列，作为使能信号加到NE555定时器上，控制NE555发出带有伪随机二进制序列的信号来驱动超声波换能器，NE555发出高电平信号，超声波换能器发出信号，反之不发。

  • 超声波接收工作原理：接收回波后，经过前端放大，带通滤波，后级放大整流电路，采集电路以脉冲的形式回到5509ADSP，在DSP中进行相关性判别和距离的运算。

  • ps：伪随机序列
    - 具有一定周期的取值为0，1的离散脉冲序列，按照一定规律变化的周期序列，如下图：
    

    • 伪随机序列的优点：抗干扰强
      • 因为周期足够大，相关函数具有二值的电平特性，接近于德尔塔函数，来确定发射码和接收码的延时，如下图：
        

• 补充：超声波传感器发射电路图：
  

• 补充：超声波传感器接收电路图–前期放大电路：

  • 超声波输出的信号属于毫伏级的，因此需要前期放大，可以采用仪表放大器，放大100倍
  • 如图：
    

• 补充：超声波传感器接收电路图–带通滤波电路：
  

• 补充：超声波传感器接收电路图–高速化绝对值转换电路：

  • 将伪随机序列从超声波波形中解调出来，通过高速化绝对值转换电路，能够把回波信号处于负半轴的部分转换成正半轴，提高信号的有效值。

• 补充：超声波传感器接收电路图–数据采集电路：

  • 从超声波信号中把伪随机序列提取出来
    

四、超声波传感器测距系统的软件设计***

• 组成：
  • 控制超声波发射传感器携带伪随机序列的超声波信号
  • 采集回波信号
  • 进行相关性判别并计算出渡越时间
  • 计算障碍物的距离
• 工作原理：
  • 系统上电和初始化，在单片机的控制下和驱动电路的响应下，超声波发出电路，然后开始计数，来判断是否有回波
    • 有–停止技术，计算距离-显示和输出数据，
    • 无–延时是否到了-无障碍，则继续探测
  • 如下图所示：
    
• 补充-提高相关性判断实时性-基于FFT的相关性判别算法（后面进阶会详细介绍）
  

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PS1：下一章会详细介绍激光雷达的原理和应用，由浅入深，希望能给您带来帮助

PS2：本专栏持续更新中，感谢关注，写的不对的地方，诚挚欢迎您指正，谢谢！