自动驾驶中的传感器技术55——USS(1)

1、USS的技术特点

雷达使用无线电波，激光雷达使用光脉冲，而超声波传感器则通过发出短促的超声波脉冲并将其反射回传感器来评估环境中的物体。超声波传感器经济高效，在检测固体危险方面表现出色，通常用于汽车保险杠上，以便在停车时提醒驾驶员注意障碍物。为了在辅助驾驶应用中获得最佳效果，超声波传感器通常与摄像头结合使用。

超声波雷达是利用声波（343 m/s或2.91秒传播一千米）在空气中传播，辐射到其路径中的物体上，然后从物体上反射回来，基于声音传播时间进行飞行时间/往返时间（Time of Flight，ToF）测量。

举例来说，当ToF测得为2.0ms，环境温度为25℃，则v≈ 331 + 0.6×25= 346 m/s，d=(346×0.002)/2=0.346 米。（注意声速和温度有关联）

超声波雷达可以检测各种材料，唯一要求是目标材料为固体或液体，包括金属、塑料、玻璃、木材、石块、沙、油、水等硬质、非吸声材料。

超声波雷达通常处于40~70kHz范围内，用于10米以内的近距离测距，它具备厘米级的精度，并且不受到气候的影响，成本也比较低，适用于超声泊车辅助（UPA）、自动泊车辅助（APA）、自动代客泊车（AVP）等ADAS应用。

超声波传感器包括两种拓扑：一是单基地拓扑，指单传感器既发送回波，又侦听返回回波，是大多数应用中优选的低成本方法，缺点是传感器的激励振铃/衰减会产生一个盲区而限制最小检测范围，可以通过添加阻尼电阻器来减小盲区；二是双基地拓扑，它可以消除这种振铃衰减，其中包含发射和接收的两个单独的传感器，缺点是需要额外进行校准，因为设计人员在计算飞行时间（ToF）时必须考虑接收器处传入回波的角度。

驱动超声波传感器有两种方式：一种是低成本的直接驱动模式，适用于短距离、开放式应用；另一种是变压器驱动，最大限度地提高了密闭式传感器的要求（超过100 Vpp），但也要求在大规模生产时进行额外的校准。

2、USS AK2的技术特点

低端市场的超声波雷达仅能输出距离信息，不能通过多探头收发时序控制做三角定位，仅用于PDC前后防碰撞报警，这类超声波不需要消耗很多CPU算力，所以探头本身自带ASIC就能完成工作；高端探头则不仅能输出距离，还能通过三角定位输出点云信息，而且只有这种点云信息才能进一步与视觉融合，所以可以用于更为高阶的ADAS功能，APA&HPA&AVP甚至一些高速场景，而我们所说的AK1和AK2都是属于高端产品，可以输出点云。

超声波雷达“上车”由几大德系车厂提出，包括BBA、VW、Porsche。AK1超声波雷达是市场上较早一代的产品，主要用于短距离的探测，如自动泊车辅助系统（APA）。AK1雷达以其稳定的性能和较高的成本效益，在汽车行业中得到了广泛应用。

随着应用场景逐渐向APA、AVP拓展，超声波雷达需要更高的测量要求、更远的测量距离、更快的测量速度、更好的抗干扰能力、功能安全需求。而AK1的缺点也很明显，它采用同频工作模式，需轮次发波以避免干扰，导致系统刷新周期长。同时也不具备原始数据上传的能力，无法满足智驾系统的需要。AK2超声波雷达应运而生。

AK2超声波雷达可通过独特的超声波信号编码方式（Coding）实现多传感器同时收发，除了可以发送标准的超声波信号以外，还可提供另外两种超声编码信号：升频和降频模式，使超声波雷达可以同时发送不同的超声信号，大大缩短系统刷新周期，系统效率更高。ECU可以依据置信度的值来过滤检测到的目标回波，从而提高检测性能可靠性。编码信号更能抵抗噪声，具有更好的性能。

此外，AK2采用总线式架构，方便控制和协调不同传感器之间的工作关系，解决了AK1单点模式下协调复杂的问题。总之，AK2刷新周期很快，探测距离也更远（可达7米），同时采用DSI接口，能够将更丰富原始特征信息传输至上层信号处理单元。

从AK2布局情况来看，国外厂商布局早于国内企业。例如，博世于2016年成功研发出第六代超声波雷达，把数字信号和信号编码加在了一起，通过一个线性频率，使传感器可以做到多收多发。大陆集团基于CUS3超声波传感器（最远探测距离：5.5 m；具备自诊断能力）的全栈解决方案计划2024年量产。日本村田制作所的下一代产品可配合ElmosE 524.17驱动芯片支持变频（编码）使用，盲区仅15cm，最远探测距离达5.5m。

以下为纵目科技AK2超声波传感器

3、USS AK2的组成架构

USS AK2的组成架构如下

• Embedded 32-bit microprocessor 32KB ROM、4KB RAM、256Byte EEPROM
• DSI3 high speed communication (up to 444kbit/s)
• Support ultrasonic signal coding
• Perfect self-diagnosis function
• ASIL Class B functional safety
• Near function detection (NFD)
• Built-in temperature sensor

另外根据AK2规范的设计要求，所有传感器的探测范围为10至500厘米（φ75*1000mm PVC杆）。