智能网联汽车环境感知技术 第2章 超声波雷达
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第2章 超声波雷达装调与检测
目录
DIRECTORY
01. 超声波雷达认知与安装 02. 超声波雷达故障检测 03. 超声波雷达标定
01
超声波雷达认知
超声波雷达-定义
声波是一种在气体、液体、固体中传播的弹性波。分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz） 和超声波（f>20kHz）。声波是人耳能听到的声音；次声波和超声波是人耳听不到的声音。
自身问题
最后考虑显示 制单元
目录
DIRECTORY
01. 超声波雷达认知与安装 02. 超声波雷达故障检测 03. 超声波雷达标定
03
超声波雷达标定
超声波-测距原理
超声波定位技术是蝙蝠等一些无目视能力生物作为防御天敌及捕获猎物的生存手段，根据猎 物或障碍物反射回波的时间间隔，判断猎物或障碍物的位置。超声波测距模仿了蝙蝠的超声 波定位技术，利用超声波发射后遇到障碍物反射的原理来工作。但是蝙蝠的超声波定位是生 物的本能，而在现实中超声波测距根据算法有相位检测、幅值检测和脉冲回波检测等3种方 法。
01
超声波雷达安装
超声波雷达-位置
超声波雷达-安装
（1）打孔 使用直径为32mm的开孔器于标定位置打孔。 要求：垂直保险杠标定位置所在的面开孔，开孔器轴
线重直于该面的排切面，开孔边缘无毛剩。
（2）安装
ห้องสมุดไป่ตู้
毫米波雷达-位置
1.关闭实训平台总电源； 2.在指定汽车安装位置进行打孔（智能网联台架确认安装 位置）； 3.检查传感器外观和线束是否完好； 4.超声波雷达与线束连接后，将线束穿过保险杠孔； 5.按压传感器外围塑胶件，让传感器垂直卡入保险杠； 6.检查超声波传感器功能是否完好，确认蜂鸣器是否有蜂 鸣声，若无，记录雷达出现问题；
目录
DIRECTORY
01. 超声波雷达认知与安装 02. 超声波雷达故障检测 03. 超声波雷达的标定
02
超声波雷达故障检测
超声波雷达传感器控制原理分析
系统上电后超声波自动进入工作状态，在控制器的控制下，由超声波雷达探头发送超声波，遇到障碍物产生回波信号，传感器接收到回波 信号后，经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置,并驱动蜂鸣器工作，来提醒最近的障碍物距离
问题
最后考虑超声 波控制单元
故障原因分析
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机有自检，超声波雷无法与显示控制单元通讯
原因分析：
• 超声控制单元与显示控制单元之间总线故障 • 超声波控制单元端正问题 • 显示控制单元自身问题
诊断流程：
首先测量通讯 CAN总线是 否出现故障
然后再排除超 声波控制单元
。 及位置
超声波雷达传感器的常见故障类型
智能传感器装配调试台架超声波雷达的常见故障
项目名称标题处
常见故障
开机无自检，超声波雷 达不工作，蜂鸣器无提
示声音
开机有自检，超声波雷 达不工作
开机有自检，超声波雷 达误报警
开机有自检，超声波雷 无法与显示控制单元通
讯
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机无自检，超声波雷达不工作，蜂鸣器无提示声音 可能原因分析：
是否损坏
是
更换超声波 传感器
否
用原件替换法确认控 是 制单元是否损坏，软
件是否有问题
维修或更换 控制单元
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机有自检，超声波雷达误报警
•超声波雷达安装问题 •超声波探头有异物 •超声波自身损坏 •超声波控制单元故障
诊断流程：
首先排除超声 波雷达安装及
表面异物
然后再排除超 声波雷达自身
险杠不同方位上安装多个超声波雷达。
超声波雷达-组成
超声波雷达内部有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。 在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波；接收头接收返回的超
声波，由芯片记录声波的往返时间，并计算出距离值； 超声波雷达可以通过模拟接口和IIC接口两种方式将数据传输给控制单元。
超声波雷达结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。 超声波雷达灵敏度较高。 超声波雷达抗环境干扰能力强，对天气变化不敏感。 超声波雷达可在室内、黑暗中使用，超声波雷达存在盲区。 探测距离短，一般为3~5m，因此应用范围受到限制。 超声波有一定的扩散角，只能测量距离，不可以测量方位，所以只能在低速时使用，而且必须在汽车的前、后保
超声波雷达也称超声波传感器，它是利用超声波特性研制而成，是在超声波频率范围内将交变的电信号 转换成声信号或将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。
超声波雷达在汽车上经常用于倒车，所以也称倒车雷达。
超声波雷达-特点
超声波雷达的频率都相对固定，例如汽车上用的超声波雷达，频率有40kHz、48kHz和58kHz等，频率不同，探 测的范围也不同。
超声波-测距原理
3.超声波脉冲回波法
超声波发射端TX发射具有一定频率的短促的超声波信号，同时启动时钟计数器，直到接收端 RX收到障碍物发射的机械回波信号，并转换为相应的电信号。此时放大接收电路会将电信号 放大，控制器会识别该信号，同时时钟计数器停止计数，读出计数器数值即可得到回波时间， 从而计算出障碍物到雷达的距离。
a.超声传感器等效电路
b.超声传感器电抗特性
超声波雷达-标定
任务目标：理解超声波雷达工作原理，掌握检测与标定 设备或仪器：超声波雷达（实验台或实验箱），万用表，示波 器，目标模拟器，卷尺（直尺）
①安全要求与注意事项: 注意人身和设备安全；场地面积足够，无障碍物；功能检测 时，学员应在指定工作区域，以免随意走动造成干扰。
超声波-测距原理
3.超声波脉冲回波法 如图所示，雷达的发射端TX输入的是一定频率的矩形波脉冲串，而接收端RX输出的是毫伏级 的交流信号。
a.发射端输入矩形波脉冲
b.接收端输出毫伏级的交流信号
超声波雷达-标定原理
超声传感器等效为1个电感、2个电容和1个电阻串并联电路， 如图所示。
电抗图中左右两侧呈现电容性， 中间呈现电感性，是1种典型高Q 值晶体振子特性。在fs和fp处出现 两个阻抗最低点，因此有两个谐 振峰。
超声波-测距原理
1.超声波相位检测法 首先检测出雷达发射出的超声波和机械回波之间的相位差，然后根据相位差计算出障碍物与 超声波雷达之间的距离。
超声波-测距原理
1.超声波相位检测法
采用相位测距的精度较高，但是为了确定机械回波信号的相位， 需要设置结构比较复杂的鉴别相位的电路来进行回波信号处理， 成本较高。此外，在实际应用中测量距离较小，仅约为15～70cm。
超声波雷达-组成
超声波雷达-原理
发射头发出的超声波脉冲，经媒质（空气）传到障碍物表面，反射后通过媒质（空气）传到 接收头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，求得从探头到障碍物 表面之间的距离。
L＝vt/2
超声波雷达-参数
➢ 测量距离——取决于其使用的波长和频率；波长越长，频率越小，测量距离越大。测量汽车前后障碍物 的短距超声波雷达测量距离一般为0.15~2.50m；安装在汽车侧面、用于测量侧方障碍物距离的长距超声波 雷达测量距离一般为0.30~5.0m。 ➢ 测量精度——传感器测量值与真实值的偏差。超声波雷达测量精度主要受被测物体体积、表面形状、表 面材料等影响。测量精度越高，感知信息越可靠。测量精度要求在±10cm以内。 ➢ 探测角度——水平视场角和垂直视场角。 ➢ 工作频率——发射频率要求是40±2kHz，这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比。 ➢ 工作温度——由于超声波雷达应用广泛，有的应用场景要求温度很高，有的应用场景要求温度很低，因 此，超声波雷达必须满足工作温度的要求。工作温度一般要求-30℃~+80℃。
超声波雷达-分类
驻车辅助传感器（UPA）：是一种短程超声波，主要安装在车身的前部与后部，检测范围为25cm～2.5m，由 于检测距离大，多普勒效应和温度干扰小，检测更准确。
泊车辅助传感器（APA）： 是一种远程超声波传感器，主要用于车身侧面，检测范围为35cm～5m，可覆盖一 个停车位。方向性强，探头波的传播性能优于UPA，不易受到其他APA和UPA的干扰。
制定诊断流程
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机有自检，超声波雷达不工作
可能原因分析
• 超声波雷达与控制单元之间线路问 题
• 超声波雷达自身故障 • 超声波控制单元端点故障
制定诊断流程
开机有自检，超 声波雷达不工作
检查超声波雷达与 控制单元之间线 路是否有问题
是 查找原因维 修或更换
否
用原件替换法确认 超声波雷达传感器
录数据。 ⑨将记录的数据与超声波雷达出厂数据进行比对，处
理数据，算出误差公式 。
标记超声波雷达的不感应区、限定区和不确定区域的区域尺寸
②在工作区放置工作牌，将超声波雷达安装在支架上。 ③将超声波雷达和控制盒线束连接。 ④打开超声波雷达控制盒供电开关、超声波电源开关。
超声波雷达-标定
⑤在超声波探头正前方放置障碍物（或站立人模拟障 碍物）。
⑥观察超声波蜂鸣器是否有声。 ⑦前后左右移动障碍物，听取蜂鸣器是否有声。 ⑧使用卷尺（直尺）测量蜂鸣器有效范围内距离，记
超声波-测距原理
2.超声波幅值检测法
将回收到的机械回波信号进行处理，并将其转化为包络曲线，利用对该曲线的峰值分析来确定 机械回波前沿最远所能到达的距离。对有相同距离的不同障碍物，机械回波的包络大致相同， 但其幅值不同；对于同一个障碍物，即使距离不同，其回波信号所产生的包络曲线仍然大致相 似，但是每一个曲线的幅值不同。也就是说，机械回波的前沿到达时间t_0与回波的幅值时间t 之间的时间差基本是固定不变的，只要通过回波信号包络图的幅值确定回波幅度时间t，再减 去固有的时间差∆t=t-t_0，就可以确定障碍物距离超声波雷达的距离。 但是，这种方法仅通过回波幅值来判断距离，易受反射波的影响。
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01. 超声波雷达认知与安装 02. 超声波雷达故障检测 03. 超声波雷达标定
01
超声波雷达认知
超声波雷达-定义
声波是一种在气体、液体、固体中传播的弹性波。分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz） 和超声波（f>20kHz）。声波是人耳能听到的声音；次声波和超声波是人耳听不到的声音。
自身问题
最后考虑显示 制单元
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01. 超声波雷达认知与安装 02. 超声波雷达故障检测 03. 超声波雷达标定
03
超声波雷达标定
超声波-测距原理
超声波定位技术是蝙蝠等一些无目视能力生物作为防御天敌及捕获猎物的生存手段，根据猎 物或障碍物反射回波的时间间隔，判断猎物或障碍物的位置。超声波测距模仿了蝙蝠的超声 波定位技术，利用超声波发射后遇到障碍物反射的原理来工作。但是蝙蝠的超声波定位是生 物的本能，而在现实中超声波测距根据算法有相位检测、幅值检测和脉冲回波检测等3种方 法。
01
超声波雷达安装
超声波雷达-位置
超声波雷达-安装
（1）打孔 使用直径为32mm的开孔器于标定位置打孔。 要求：垂直保险杠标定位置所在的面开孔，开孔器轴
线重直于该面的排切面，开孔边缘无毛剩。
（2）安装
ห้องสมุดไป่ตู้
毫米波雷达-位置
1.关闭实训平台总电源； 2.在指定汽车安装位置进行打孔（智能网联台架确认安装 位置）； 3.检查传感器外观和线束是否完好； 4.超声波雷达与线束连接后，将线束穿过保险杠孔； 5.按压传感器外围塑胶件，让传感器垂直卡入保险杠； 6.检查超声波传感器功能是否完好，确认蜂鸣器是否有蜂 鸣声，若无，记录雷达出现问题；
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01. 超声波雷达认知与安装 02. 超声波雷达故障检测 03. 超声波雷达的标定
02
超声波雷达故障检测
超声波雷达传感器控制原理分析
系统上电后超声波自动进入工作状态，在控制器的控制下，由超声波雷达探头发送超声波，遇到障碍物产生回波信号，传感器接收到回波 信号后，经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置,并驱动蜂鸣器工作，来提醒最近的障碍物距离
问题
最后考虑超声 波控制单元
故障原因分析
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机有自检，超声波雷无法与显示控制单元通讯
原因分析：
• 超声控制单元与显示控制单元之间总线故障 • 超声波控制单元端正问题 • 显示控制单元自身问题
诊断流程：
首先测量通讯 CAN总线是 否出现故障
然后再排除超 声波控制单元
。 及位置
超声波雷达传感器的常见故障类型
智能传感器装配调试台架超声波雷达的常见故障
项目名称标题处
常见故障
开机无自检，超声波雷 达不工作，蜂鸣器无提
示声音
开机有自检，超声波雷 达不工作
开机有自检，超声波雷 达误报警
开机有自检，超声波雷 无法与显示控制单元通
讯
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机无自检，超声波雷达不工作，蜂鸣器无提示声音 可能原因分析：
是否损坏
是
更换超声波 传感器
否
用原件替换法确认控 是 制单元是否损坏，软
件是否有问题
维修或更换 控制单元
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机有自检，超声波雷达误报警
•超声波雷达安装问题 •超声波探头有异物 •超声波自身损坏 •超声波控制单元故障
诊断流程：
首先排除超声 波雷达安装及
表面异物
然后再排除超 声波雷达自身
险杠不同方位上安装多个超声波雷达。
超声波雷达-组成
超声波雷达内部有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。 在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波；接收头接收返回的超
声波，由芯片记录声波的往返时间，并计算出距离值； 超声波雷达可以通过模拟接口和IIC接口两种方式将数据传输给控制单元。
超声波雷达结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。 超声波雷达灵敏度较高。 超声波雷达抗环境干扰能力强，对天气变化不敏感。 超声波雷达可在室内、黑暗中使用，超声波雷达存在盲区。 探测距离短，一般为3~5m，因此应用范围受到限制。 超声波有一定的扩散角，只能测量距离，不可以测量方位，所以只能在低速时使用，而且必须在汽车的前、后保
超声波雷达也称超声波传感器，它是利用超声波特性研制而成，是在超声波频率范围内将交变的电信号 转换成声信号或将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。
超声波雷达在汽车上经常用于倒车，所以也称倒车雷达。
超声波雷达-特点
超声波雷达的频率都相对固定，例如汽车上用的超声波雷达，频率有40kHz、48kHz和58kHz等，频率不同，探 测的范围也不同。
超声波-测距原理
3.超声波脉冲回波法
超声波发射端TX发射具有一定频率的短促的超声波信号，同时启动时钟计数器，直到接收端 RX收到障碍物发射的机械回波信号，并转换为相应的电信号。此时放大接收电路会将电信号 放大，控制器会识别该信号，同时时钟计数器停止计数，读出计数器数值即可得到回波时间， 从而计算出障碍物到雷达的距离。
a.超声传感器等效电路
b.超声传感器电抗特性
超声波雷达-标定
任务目标：理解超声波雷达工作原理，掌握检测与标定 设备或仪器：超声波雷达（实验台或实验箱），万用表，示波 器，目标模拟器，卷尺（直尺）
①安全要求与注意事项: 注意人身和设备安全；场地面积足够，无障碍物；功能检测 时，学员应在指定工作区域，以免随意走动造成干扰。
超声波-测距原理
3.超声波脉冲回波法 如图所示，雷达的发射端TX输入的是一定频率的矩形波脉冲串，而接收端RX输出的是毫伏级 的交流信号。
a.发射端输入矩形波脉冲
b.接收端输出毫伏级的交流信号
超声波雷达-标定原理
超声传感器等效为1个电感、2个电容和1个电阻串并联电路， 如图所示。
电抗图中左右两侧呈现电容性， 中间呈现电感性，是1种典型高Q 值晶体振子特性。在fs和fp处出现 两个阻抗最低点，因此有两个谐 振峰。
超声波-测距原理
1.超声波相位检测法 首先检测出雷达发射出的超声波和机械回波之间的相位差，然后根据相位差计算出障碍物与 超声波雷达之间的距离。
超声波-测距原理
1.超声波相位检测法
采用相位测距的精度较高，但是为了确定机械回波信号的相位， 需要设置结构比较复杂的鉴别相位的电路来进行回波信号处理， 成本较高。此外，在实际应用中测量距离较小，仅约为15～70cm。
超声波雷达-组成
超声波雷达-原理
发射头发出的超声波脉冲，经媒质（空气）传到障碍物表面，反射后通过媒质（空气）传到 接收头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，求得从探头到障碍物 表面之间的距离。
L＝vt/2
超声波雷达-参数
➢ 测量距离——取决于其使用的波长和频率；波长越长，频率越小，测量距离越大。测量汽车前后障碍物 的短距超声波雷达测量距离一般为0.15~2.50m；安装在汽车侧面、用于测量侧方障碍物距离的长距超声波 雷达测量距离一般为0.30~5.0m。 ➢ 测量精度——传感器测量值与真实值的偏差。超声波雷达测量精度主要受被测物体体积、表面形状、表 面材料等影响。测量精度越高，感知信息越可靠。测量精度要求在±10cm以内。 ➢ 探测角度——水平视场角和垂直视场角。 ➢ 工作频率——发射频率要求是40±2kHz，这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比。 ➢ 工作温度——由于超声波雷达应用广泛，有的应用场景要求温度很高，有的应用场景要求温度很低，因 此，超声波雷达必须满足工作温度的要求。工作温度一般要求-30℃~+80℃。
超声波雷达-分类
驻车辅助传感器（UPA）：是一种短程超声波，主要安装在车身的前部与后部，检测范围为25cm～2.5m，由 于检测距离大，多普勒效应和温度干扰小，检测更准确。
泊车辅助传感器（APA）： 是一种远程超声波传感器，主要用于车身侧面，检测范围为35cm～5m，可覆盖一 个停车位。方向性强，探头波的传播性能优于UPA，不易受到其他APA和UPA的干扰。
制定诊断流程
超声波雷达传感器的常见故障诊断
故障现象：开机有自检，超声波雷达不工作
可能原因分析
• 超声波雷达与控制单元之间线路问 题
• 超声波雷达自身故障 • 超声波控制单元端点故障
制定诊断流程
开机有自检，超 声波雷达不工作
检查超声波雷达与 控制单元之间线 路是否有问题
是 查找原因维 修或更换
否
用原件替换法确认 超声波雷达传感器
录数据。 ⑨将记录的数据与超声波雷达出厂数据进行比对，处
理数据，算出误差公式 。
标记超声波雷达的不感应区、限定区和不确定区域的区域尺寸
②在工作区放置工作牌，将超声波雷达安装在支架上。 ③将超声波雷达和控制盒线束连接。 ④打开超声波雷达控制盒供电开关、超声波电源开关。
超声波雷达-标定
⑤在超声波探头正前方放置障碍物（或站立人模拟障 碍物）。
⑥观察超声波蜂鸣器是否有声。 ⑦前后左右移动障碍物，听取蜂鸣器是否有声。 ⑧使用卷尺（直尺）测量蜂鸣器有效范围内距离，记
超声波-测距原理
2.超声波幅值检测法
将回收到的机械回波信号进行处理，并将其转化为包络曲线，利用对该曲线的峰值分析来确定 机械回波前沿最远所能到达的距离。对有相同距离的不同障碍物，机械回波的包络大致相同， 但其幅值不同；对于同一个障碍物，即使距离不同，其回波信号所产生的包络曲线仍然大致相 似，但是每一个曲线的幅值不同。也就是说，机械回波的前沿到达时间t_0与回波的幅值时间t 之间的时间差基本是固定不变的，只要通过回波信号包络图的幅值确定回波幅度时间t，再减 去固有的时间差∆t=t-t_0，就可以确定障碍物距离超声波雷达的距离。 但是，这种方法仅通过回波幅值来判断距离，易受反射波的影响。