摘 要：近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，汽車的保有量顯著增多，汽車主動安全性能問題也日益受到人們的關(guān)注。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是聯(lián)合了車聯(lián)網(wǎng)與智能車的新一代汽車，搭載了先進(jìn)的傳感器、執(zhí)行器、控制器等裝置，有著節(jié)能、高效、安全、舒適等特點(diǎn)。環(huán)境感知和控制等系統(tǒng)的搭載保障了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全性，其能感知、追蹤、識別與行車安全有關(guān)的物體、生物、環(huán)境等，為車主提供安全指導(dǎo)。而超聲波雷達(dá)是環(huán)境感知和控制等系統(tǒng)的信息源，在提高汽車主動安全性能方面發(fā)揮了重要作用。本文主要介紹了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的背景信息，分析了超聲波雷達(dá)的定義、類型、特點(diǎn)、性能、劣勢與測距原理，以及超聲波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的具體應(yīng)用與應(yīng)用發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：超聲波雷達(dá) 智能網(wǎng)聯(lián)汽車 應(yīng)用技術(shù) 發(fā)展趨勢

隨著汽車保有量的逐年增加，交通事故的發(fā)生也愈加頻繁。相關(guān)調(diào)查研究顯示，行車遇到危險時，駕駛員的反應(yīng)時間過長是導(dǎo)致事故發(fā)生或加重事故危害的主要原因之一。車載雷達(dá)及其相關(guān)技術(shù)的使用能夠加快車與人、車與路、人與路之間的信息傳遞，縮短駕駛員的反應(yīng)時間，提高汽車的主動安全性能。因此，對雷達(dá)傳感器進(jìn)行深入研究是十分必要的。在雷達(dá)技術(shù)的支持下，自動泊車系統(tǒng)、自動緊急制動系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)、前方防碰撞預(yù)警功能、倒車輔助系統(tǒng)等不斷完善，為人們的安全出行提供了保障，也推動了智能交通管理的形成。一般情況下，雷達(dá)傳感器對行駛環(huán)境的感知需要經(jīng)過收集車輛及其周圍環(huán)境信息、對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理的過程。智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的傳感設(shè)備主要有激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)三大類。本文主要以超聲波雷達(dá)為研究對象，探索了超聲波雷達(dá)的性能、工作原理及具體應(yīng)用，旨在充分利用超聲波雷達(dá)，增強(qiáng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車對駕駛環(huán)境的感知，保障人們的安全出行。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車背景分析

影響汽車行駛狀態(tài)的因素較多，駕駛員的狀態(tài)就是其中之一。近年來，我國機(jī)動車駕駛?cè)藬?shù)量持續(xù)增多，駕駛?cè)思夹g(shù)則參差不齊，趨于成熟的無人駕駛系統(tǒng)顯然更加可靠。智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛的實(shí)現(xiàn)離不開環(huán)境檢測技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用能夠讓智能網(wǎng)聯(lián)汽車具有良好的感知與定位性能，傳感器的增加則能滿足控制需求。當(dāng)前，基于環(huán)境感知與定位技術(shù)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛路徑規(guī)劃包含了感知、規(guī)劃、處理、執(zhí)行四大部分，環(huán)境檢測的準(zhǔn)確度與智能網(wǎng)聯(lián)汽車的可靠性有直接關(guān)聯(lián)，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知，應(yīng)搭建聯(lián)合仿真平臺，借此深入研究環(huán)境感知與定位技術(shù)，推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展。

2 超聲波雷達(dá)

2.1 超聲波雷達(dá)的定義

超聲波，即超過20000Hz的機(jī)械波，這一聲波并不在人類耳朵可以感知的頻率范圍內(nèi)，有著能量大、衰減小、可定向傳播、方向性好等特點(diǎn)。當(dāng)前，超聲波在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等。超聲波雷達(dá)則是一類根據(jù)超聲波特性研制而成的傳感器，俗稱“倒車?yán)走_(dá)”。在超聲波頻率范圍內(nèi)，超聲波雷達(dá)能夠?qū)⑼饨缏晥鲋械穆曅盘栟D(zhuǎn)換為電信號，或是將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號。在汽車駐車、倒車時，超聲波雷達(dá)能夠以聲音或顯示器傳遞周圍環(huán)境信息，幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷。

2.2 超聲波雷達(dá)的類型

車載超聲波傳感器有短程、遠(yuǎn)程之分，短程超聲波傳感器的安裝部位為前后保險杠，作用為測量車輛的前后物體，探測范圍為25毫米到2.5米，受溫度的影響小，探測結(jié)果真實(shí)可靠，配備數(shù)量一般為8個；遠(yuǎn)程超聲波傳感器的安裝部位為車身左右兩面，作用為測量車輛左右兩側(cè)的物體，探測范圍為35厘米到5米，不易受到其他傳感器的干擾，配備數(shù)量一般為4個。

超聲波雷達(dá)可劃分為機(jī)械超聲波雷達(dá)、固態(tài)超聲波雷達(dá)、半固態(tài)超聲波雷達(dá)三類，區(qū)別三者的關(guān)鍵在于判斷其是否存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。機(jī)械超聲波雷達(dá)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，多安裝在汽車頂部。盡管機(jī)械超聲波雷達(dá)的成本較高，但其能360°感知障礙物，且測量精度高、成像快。當(dāng)前，機(jī)械超聲波雷達(dá)尚未實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，多見于自動駕駛汽車與無人車的研發(fā)。固態(tài)超聲波雷達(dá)主要由集成電路等電子部件組成，沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，且固態(tài)超聲波雷達(dá)不能單獨(dú)使用，需要多個相互配合，以全方位感知物體。盡管如此，固態(tài)超聲波雷達(dá)的個頭小、成本低，已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，應(yīng)用極為廣泛。在機(jī)械超聲波雷達(dá)中，機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用主要為旋轉(zhuǎn)超聲波發(fā)射裝置和接收裝置。雖然半固態(tài)超聲波雷達(dá)內(nèi)部不存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，但使用了其他的機(jī)械運(yùn)動部件。與固態(tài)超聲波雷達(dá)相同，半固態(tài)超聲波雷達(dá)也有著個頭小、成本低的特點(diǎn)，在各類車型上都有應(yīng)用。

2.3 超聲波雷達(dá)的特點(diǎn)

超聲波雷達(dá)主要具備以下6大特點(diǎn)：①適用于短距離測量，在倒車裝置、泊車裝置中運(yùn)用有顯著優(yōu)勢；②個頭小、成本低，能夠進(jìn)行簡單的信息分析處理；③頻率相對固定，主要有58kHz、45kHz、40kHz三種頻率，頻率越高靈敏度越高，但探測角度越小，故頻率40kHz的雷達(dá)最為常用；④分辨率高；⑤在反射率足夠的前提下，車載超聲波雷達(dá)的探測距離可達(dá)到200米到300米；⑥相較于微波，超聲波雷達(dá)能夠獲取更多的信息，并創(chuàng)建多維度圖像。

2.4 超聲波雷達(dá)必須具備的性能

超聲波雷達(dá)常被人們叫做“倒車?yán)走_(dá)”，這是因?yàn)樵谲囕v倒車時，超聲波雷達(dá)發(fā)揮了重要作用，其會感知、探測車尾有無干擾物，給予駕駛?cè)丝茖W(xué)的指導(dǎo)。筆者認(rèn)為。超聲波雷達(dá)必須具備的性能主要有以下三點(diǎn)：①頻率具有固定性：②整體結(jié)構(gòu)簡單化且盡可能縮減體積，這樣才能在降低成本的同時提高感知預(yù)處理的可靠性；③提高感知靈敏度的針對性，能夠抵抗自然環(huán)境的干擾。只有具備上述性能，超聲波雷達(dá)才能長效發(fā)揮感知作用，保障行車的安全性。

2.5 超聲波雷達(dá)的劣勢

當(dāng)前，車載超聲波雷達(dá)主要有三大缺點(diǎn)：①探測范圍有限，無法預(yù)判一些突發(fā)情況，如動物突然跑到車后；②由于超聲波雷達(dá)只能測量距離而不能測量方位，隨著車輛速度的提升，超聲波雷達(dá)對環(huán)境感知的準(zhǔn)確度會有所下降，要解決這一問題，需要增加超聲波雷達(dá)的安裝數(shù)量；③超聲波雷達(dá)的感知效果還受到地面平整度的影響，若地面凹凸不平，則會降低感知的準(zhǔn)確性。鑒于此，相關(guān)人員應(yīng)對超聲波雷達(dá)性能的提升進(jìn)行深入研究，提高智能網(wǎng)聯(lián)汽車的主動安全性能。

2.6 超聲波雷達(dá)的測距原理

一般來說，車載超聲波雷達(dá)主要由超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收裝置、拔插開關(guān)構(gòu)成。為確保向外輻射的超聲波能夠在碰到障礙物后發(fā)生反射且被接收裝置收到，發(fā)射裝置與接收裝置應(yīng)處于同一平面。在收到回波信號后，超聲波接收裝置會放大、檢測、分析處理回波信號，由車載智能系統(tǒng)的中央處理器進(jìn)行解析，測量出發(fā)射到接收所需的時間，再計算出車輛與障礙物之間的距離。在超聲波雷達(dá)工作時，數(shù)據(jù)線主要發(fā)揮著傳遞數(shù)據(jù)信息的作用。

具體來說，超聲波雷達(dá)測距主要包括四大流程：①超聲波發(fā)射器向外輻射超聲波脈沖；②超聲波接觸障礙物并反射；③超聲波接收裝置接收反射波；④相關(guān)信息上傳車載智能系統(tǒng)，由中央處理器進(jìn)行解析，計算出車輛到障礙物的距離。需要注意的是，中央處理器計算出的汽車到障礙物之間的距離與實(shí)際距離有時會存在偏差，這是因?yàn)檎系K物的體積、形狀、材料等會影響超聲波的波長與頻率，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，但誤差一般不超過10cm。上文提到，短程超聲波傳感器的探測范圍為25毫米到2.5米，遠(yuǎn)程超聲波傳感器的探測范圍為35厘米到5米，這不僅說明超聲波雷達(dá)不適合遠(yuǎn)距離探測，也意味著超聲波雷達(dá)不能有效感知緊貼車輛外表面的物體。鑒于此，在啟動車輛之前，駕駛員有必要自行檢查車輛前后是否存在障礙物。

3 超聲波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的具體應(yīng)用

3.1 自動泊車系統(tǒng)

通俗來說，自動泊車系統(tǒng)就是不用人工干預(yù)，自動讓車輛停入車位的系統(tǒng)。在自動泊車過程中，超聲波雷達(dá)發(fā)揮了重要作用：先由超聲波雷達(dá)對車輛周圍環(huán)境進(jìn)行識別，找到停車位；再自主控制車輛的速度、朝向、檔位等，讓車輛順利駛?cè)胪＼囄?。自動泊車系統(tǒng)包含了四大模塊，分別為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、泊車控制器、環(huán)境感知模塊以及人際交互模塊。自動泊車時，環(huán)境感知模塊會完成避免障礙物、尋找停車位等工作；隨后，泊車控制器會利用環(huán)境感知模塊收集的數(shù)據(jù)信息發(fā)出控制指令，規(guī)劃出合理的泊車路徑；由此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)指令實(shí)施操作，并實(shí)時反饋車輛的各類數(shù)據(jù)信息，支持環(huán)境感知模塊的運(yùn)行，確保車輛安全駛?cè)胪＼囄弧?/p>

具體實(shí)踐中，駕駛員需要經(jīng)歷以下五個步驟：①駕駛員行駛車輛至車位旁，做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備并啟動自主泊車系統(tǒng)：②計算平臺給出指令，自動泊車系統(tǒng)據(jù)此控制方向盤，使車輛倒入相應(yīng)車位；③車輛前后輪處于同一水平線時，自動泊車系統(tǒng)會回正方向，確保車輛向后進(jìn)行；④自動泊車系統(tǒng)逆時針轉(zhuǎn)動方向盤并向后行進(jìn)，確保車輛前端回轉(zhuǎn)到車位中；⑤駕駛員檢查車輛是否停在合適的位置，必要時前后移動車輛。自動泊車系統(tǒng)包含了轉(zhuǎn)向控制、自動剎停等功能，若駕駛員的技術(shù)還不夠熟練，這些功能儲備能夠?yàn)闇?zhǔn)確泊車提供支持。可以預(yù)見的是，未來的泊車環(huán)境將會越來越復(fù)雜，自動泊車系統(tǒng)需要不斷進(jìn)步，才能更好地應(yīng)對泊車難度上升的問題。

3.2 倒車輔助系統(tǒng)

在行駛過程中，大部分駕駛員都會借助后視鏡觀察車輛周圍環(huán)境，做出相應(yīng)的判斷。但這存在一定的安全隱患，一方面，后視鏡存在視覺盲區(qū)，無法全方位呈現(xiàn)車輛周圍環(huán)境情況，另一方面，后視鏡失真問題也會對汽車安全行駛造成不利影響。為保障行車安全，倒車輔助系統(tǒng)的各類產(chǎn)品開始涌現(xiàn)，彌補(bǔ)了后視鏡的不足。當(dāng)前，倒車輔助系統(tǒng)主要可劃分為紅外線式、電磁感應(yīng)式、超聲波式、超聲波與機(jī)器視覺配合式這四大類。其中，紅外線式倒車輔助系統(tǒng)出現(xiàn)較高，有著成本低、性能穩(wěn)定、電路簡單的特點(diǎn)，其測距原理與超聲波測距原理相似；電磁感性式倒車輔助系統(tǒng)存在短板，即當(dāng)車輛處于靜態(tài)，電池感應(yīng)現(xiàn)象并不會出現(xiàn)，也就無法檢測車輛周圍的障礙物；超聲波式倒車輔助系統(tǒng)正處于普及階段，這一類型的倒車輔助系統(tǒng)具有測量范圍廣、測距精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；超聲波與機(jī)器視覺配合式倒車輔助系統(tǒng)是未來倒車輔助系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢，其融合兩種技術(shù)的優(yōu)勢，有著性能好、難度低的特點(diǎn)。

3.3 自動緊急制動系統(tǒng)

自動緊急制動系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種主動安全技術(shù)，其所具備的預(yù)警功能及主動防撞功能，能夠避免汽車在行駛過程中發(fā)生碰撞，保障駕駛員及乘客的人身安全。自動緊急制動系統(tǒng)主要包含測距、數(shù)據(jù)分析處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大模塊，在車輛行駛過程中，測距模塊會收集出車輛及其周圍環(huán)境的信息，反饋給數(shù)據(jù)分析處理模塊，對比收集到的數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)數(shù)據(jù)，最后執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊根據(jù)對比結(jié)果做出相應(yīng)的動作，包括主動剎車燈、警告等。

當(dāng)前，汽車測距方式主要有激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波雷達(dá)等，在上述測距方式中，超聲波雷達(dá)的優(yōu)勢顯著，不僅識別的范圍更大，還能更好地預(yù)防外界干擾，在自動緊急制動系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。在車輛低速行駛時，面對各類突發(fā)情況，駕駛員有足夠的時間做出反應(yīng)，并不需要啟動自動緊急制動系統(tǒng)。因此，數(shù)據(jù)處理分析模塊的工作流程為：①判斷車速是否小于預(yù)設(shè)速度，小于則不啟動自動緊急制動系統(tǒng)，大于則進(jìn)入下一步；②計算兩車間距，判斷車距是否小于報警距離，若不小于，則繼續(xù)計算兩車間距，若小于，則進(jìn)入下一步；③判斷兩車間距是否小于安全距離，若不小于，則報警，若小于，則自動剎車。當(dāng)兩車間距小于安全距離，中央控制器會發(fā)出信號，自動緊急制動系統(tǒng)就會啟動，這便是執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。相關(guān)統(tǒng)計顯示，汽車追尾事故在汽車相撞事故中的占比較高。車輛行駛過程中，若能減少駕駛員對突發(fā)情況的反應(yīng)時間，使其更快得出正確的應(yīng)對方法，則能降低安全事故發(fā)生的概率，挽回個人及社會的經(jīng)濟(jì)損失，減少人員傷亡。

3.4 前方防碰撞預(yù)警功能

前方防碰撞預(yù)警功能的工作原理為：①由超聲波雷達(dá)識別車距，測量汽車與障礙物的距離；②對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理；③執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動作。比如，通過獲取、分析距離信息，判斷出車輛存在碰撞危險，系統(tǒng)會給出警告提示。

3.5 變道輔助系統(tǒng)

變道輔助系統(tǒng)的工作原理為：①由汽車左右兩側(cè)的超聲波雷達(dá)檢測車輛周圍環(huán)境，判斷是否有運(yùn)動車輛或是障礙物；②分析車輛與其他車輛或障礙物是否存在碰撞風(fēng)險，若無風(fēng)險，則進(jìn)行變道操作。

3.6 全速自適應(yīng)續(xù)航系統(tǒng)

全速自適應(yīng)續(xù)航系統(tǒng)的有序運(yùn)行離不開ABS系統(tǒng)、ACC系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的相互配合，這一裝置由超聲波雷達(dá)與攝像頭構(gòu)成，能夠使車輛保持安全距離。當(dāng)汽車速度超過25km/h，全速自適應(yīng)續(xù)航系統(tǒng)便能啟動，完成起步、跟隨前車停車等工作，有著顯著的智能化特點(diǎn)。但在實(shí)際駕駛過程中，駕駛員也不能過于依賴全速自適應(yīng)續(xù)航系統(tǒng)，而應(yīng)保持專注，認(rèn)真觀察路況。

4 超聲波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用發(fā)展趨勢

當(dāng)前，中國汽車工業(yè)正處于高速發(fā)展的階段，在未來，“超聲波雷達(dá)+環(huán)視系統(tǒng)”勢必會更為行業(yè)主流技術(shù)。首先，現(xiàn)階段的超聲波雷達(dá)技術(shù)尚不成熟，還存在著視覺死角，這會影響到自動泊車系統(tǒng)、倒車輔助系統(tǒng)等的運(yùn)行，與環(huán)視系統(tǒng)相互配合則能解決這一問題。其次，從智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展需求角度來看，超聲波雷達(dá)與環(huán)視系統(tǒng)的融合是必然的，能夠推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的進(jìn)一步發(fā)展。再次，超聲波傳感器的性價比高，以這一技術(shù)為基礎(chǔ)，環(huán)視系統(tǒng)為輔助，能夠降低綜合成本，提高產(chǎn)品的競爭力。最后，超聲波雷達(dá)與環(huán)視系統(tǒng)存在耦合性，兩者的融合能夠降低系統(tǒng)冗余度。

綜上所述，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，超聲波雷達(dá)技術(shù)也迎來了發(fā)展機(jī)遇。借助超聲波雷達(dá)技術(shù)完善汽車的自動泊車系統(tǒng)、倒車輔助系統(tǒng)、自動緊急制動系統(tǒng)、前方防碰撞預(yù)警功能、變道輔助系統(tǒng)以及全速自適應(yīng)續(xù)航系統(tǒng)，既提高了汽車行駛的安全性，保障了駕駛員及乘客的人身安全，又能推動汽車的智能化，實(shí)現(xiàn)完全自動駕駛。

參考文獻(xiàn)：

[1]張萬軍.智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器與車載網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2023（01）：37-40.

[2]陸人定.智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)應(yīng)用場景分析[J].汽車電器，2022（12）：1-3.

[3]陳艷梅，薛亮.智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)揭秘[J].汽車與配件，2022（17）：59-63.

[4]徐曉宇，邱志卓，劉秋生.基于多傳感器融合的智能網(wǎng)聯(lián)汽車常見故障診斷[J].汽車維護(hù)與修理，2022（10）：70-72.

[5]周曉飛.智能網(wǎng)聯(lián)汽車基礎(chǔ)（五）——先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（下）[J].汽車維修與保養(yǎng)，2022（03）：72-75.