干货：说说特斯拉自动驾驶中的超声波雷达——超声波感测器

什么是超声波(Ultrasonic)

人们可以听到的声音的频率为20Hz~2KHz，也就是可听声波，超出此频率范围的声音，20Hz以下的声音称为低频声波，20KHz以上的声音称为超声波（Ultrasound），一般说话的频率范围是10Hz-8KHz。超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

超声波频率分布

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。

通常有如下三种:

（1）纵波波型

当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。在工业中应用主要采用纵向振荡。

（2）横波波型

当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。

（3）表面波波型

是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。

另外，超声波也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。

利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，并在通讯、医疗、家电、军事、工业、农业等各方面得到广泛应用。

能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时, 由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度和声速有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波, 即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。

超声波测距

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、及机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。

目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统，一种是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统。

如图1所示，实验采用第一种方案，利用嵌入式设备编程产生频率为40KHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波经发射物反射回来，由传感器接收端接收，再经过接收电路放大、整形。以嵌入式为核心的超声波测距系统通过嵌入式设备记录超声波发射的时间和反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个跳变。通过定时器计数，计算时间差，就可以计算出相应的距离。

图1 超声波测距原理

超声波测距的原理是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。首先，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间T秒，就可以计算出发射点距障碍物的距离L，即：L= C×T /2 。这就是所谓的时间差测距法。

由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表1 超声波波速与温度的关系

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为倒车距离测量的理想选择。

超声波传感器

超声波为直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中的传播速度较慢，这就使得超声波传感器的使用变得简单。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波传感器主要由双压电晶片振子、圆锥共振板和电极等部分构成。两电极间加上一定的电压时压电晶片就会被压缩产生机械形变，撤去电压后压电晶片恢复原状。若在两极间按照一定的频率加上电压，则压电晶片也会保持一定的频率振动。经试验测得此型号压电晶片的固有频率为38.4 KHz，则在两极外加频率为40 KHz的方波脉冲信号，此时压电晶片产生共振，向外发射出超声波。同理，没有外加脉冲信号的超声波传感器在共振板接收到超声波时也会产生共振，在两极间产生电信号。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标，包括：

(1) 工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

(2) 工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

(3) 灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

超声波测距

测距为避障的基础，并有多种技术可以实现测距，包含无线射频(Radio Frequency；RF)、超声波(Ultrasonic)、红外线(Infrared)以及激光/雷射(Laser)等。这些技术各有其优缺点，且成本也有差异性。近年来随着机器人(Robot)、无人机(Drone)、无人搬运车、自动驾驶等新概念系统的兴起，连带刺激测距与避障(Obstacle Avoidance)技术需求。

何为避障？那就是根据物体拥有的各种感官器件，对于外界的阻碍到物体的运动方向的作出各种躲避障碍的动作，并继续打断前的动作，这个过程就是避障。避障技术作为增加无人机安全飞行的保障也随着技术的发展日新月异。无人机在飞行过程中，通过其传感器收集周边环境的信息，测量距离从而做出相对应的动作指令，从而达到「避障」的作用。测距是避障的基本要求，实际上超声波感应器在消费级无人机很常见，不过多是装在机身下部，用以测量距离地面的高度。

目前，无人机的避障技术中最为常见的是红外线传感器、超声波传感器、激光传感器以及视觉传感器。

红外线与激光属光电半导体技术，分别运用红外线二极管(Infrared Light-Emitting Diode；IR LED)及激光二极管(Laser Diode；LD)的发波，而后接收回波来辨识物体的距离，红外线技术适合短距离运用，激光技术则适合长距离范畴。另外，常见的避障技术还有无线射频、超音波技术等，它们则常见于汽车领域应用。而超声波测距其实是一种比较成熟的测距技术，而成本相对较低，目前被大量应用于家用汽车倒车雷达上，但是其测量距离较近，而且对反射面有着一定的要求，因此常被用来测量无人机与地面之间的距离，而非与障碍物之间的距离。

当下无人机测距一般是通过测距类有效负载测量无人机到某物体的距离，通过特定波的波长，波速，反馈时间就可以计算。

超声波避障原理中超声波其实就是声波的一种，因为频率高于20kHz，所以人耳听不见，并且指向性更强。超声波测距的原理比红外线更加简单，因为声波遇到障碍物会反射，而声波的速度已知，所以只需要知道发射到接收的时间差，就能轻松计算出测量距离，再结合发射器和接收器的距离，就能算出障碍物的实际距离，如下图所示。超声波测距相比红外测距，价格更加便宜，相应的感应速度和精度也逊色一些。同样，由于需要主动发射声波，所以对于太远的障碍物，精度也会随着声波的衰减而降低，此外，对于海绵等吸收声波的物体或者在大风干扰的情况下，超声波将无法工作。

特斯拉在自动驾驶中很少使用激光雷达，特斯拉宣称人眼的视觉就像摄像头（可视距离达 250 公 尺），坚持不使用激光雷达（可视距离也是 250 公尺），所以 Tesla 透 过 3 颗前置摄像头（60，150，250 公尺视觉距离），1 颗后置摄像头 （50 公尺视觉距离），4 颗前后侧边摄像头（80-100 公尺视觉距离）， 12 可环绕车身的超声波感测器（感测距离 8 公尺），及一颗前置雷达 （160 公尺视觉距离）推出的 L4 自动驾驶解决方案，整体额外自驾视 多功能硬件成本应该不超过 3000 美元。。

超声波感测器经常出现在电子机器人的产品上，通常是用来测量距离，超声波感测器各有一个发射T及接收R超音波的零件，活像两颗大大的眼睛，在制作机器人时，就经常成为造型之一 。

日常用到的超声波感测器标示为 T 的那颗是发射器（Transmitter），会发出 40 kHz 的声波，这个声波超出人类可感知的 20 kHz 上限，因此才称之为超声波，那颗被标示为 R 的是接收器（Receiver），可接收超声波。

一般脚位分别为 Vcc、Trig、Echo 与 GND，Vcc 与 GND 就是接 5V 电源及 GND 了，Trig 为输入脚位，Echo 为输出脚位，超音波的发射与接收，就是靠 Trig 与 Echo 这两个脚位，如果你送出 10 微秒的 5V 高电位讯号给 Trig，就会触发超声波的发射，接着 Echo 脚位就会处于 5V 高电位状态，如果接收到反射的超声波讯号，那么 Echo 脚位就会处于 0V 低电位状态：

因此，在超声波发射之后，Echo 的高电位持续时间，就可以搭配声波速度每秒 343.2 公尺，也就是每公分要花费 29.1 微秒左右，计算出超声波感应器与障碍物之间的距离，记得声波往返是走了两倍距离，因此 Echo 的高电位持续时间要除以 2，再用来除以 29.1 微秒，才是与障碍物之间的距离。

如果使用 Arduino 官方语言的话，可以如下撰写程式，以取得超声波感应器与障碍物之间的距离：

pulseIn函式可以计算指定脚位的高电位或低电位持续时间，单位是微秒。

超声波感测器是利用超音波的特性研制而成的感测器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显着反射形成回波，碰到活动物体能产生都卜勒效应。因此超声波检测广泛套用在工业、国防、生物医学等方面以超音波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波感测器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声探头的核心是其塑胶外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波感测器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波测器。

室外用途的超声波感测器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对套用于工业机器人的超声波感测器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。

利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于75kHz的情况下，是不可能达到此目的地。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/m2s，而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声波感测器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工作。

超声波距离感测器可以广泛套用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连线，也提供发射夹角较大的探头。

超高能声波测距技术使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的套用场合（适用极恶劣的工作环境），而且使用智慧型调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户无后顾忧 。

优秀的回波处理技术，5－50KHZ的超高强波频率使物位计最大量程可达到120米，适用介质温度为–20℃— +175℃。智慧型的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。

超声波测距模块的影响因素

超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。

1. 反射问题

如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差：

1)三角误差

当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。

2)镜面反射

这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。

3)多次反射

这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。

这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。

(2) 噪音

虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45KHz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。

这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效地避免由于环境噪音所引起的误读。

(3)交叉问题

交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。

解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。