华儒科技解析雷达传感器

华儒科技是一家专门从事引进欧美工业界及其它非赢利的研究机构的先进技术和产品至中国市场的专业科技咨询公司，并为客户提供相应技术指导与研发项目的跟踪与辅助性业务。（本文由深圳市华儒科技有限公司李明宇先生提供）

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华儒科技现所代理的24GHz微波传感器为德国Innosent公司生产，Innosent公司处在德国乌滋堡，是一家专业从事设计、生产、销售应用于工业、商业、自动控制等领域的雷达传感器的高科技公司，是世界上最大的商业用24GHz雷达制造商、世界第二大的自动工控用雷达制造商。公司的雷达传感器是使用世界上最先进的平面微带技术制造而成，体积小、集成化程度高、感应灵敏。Innosent公司成立于1999年，公司有大批研发人员有二三十年的雷达开发经验，生产的传感器远销世界各地，被广泛的应用于自动开门，交通测速测距测流量、测液位、安防闯入告警、计数器、体育测速等方面。

1：雷达传感器的起源、定义及组成

雷达的出现，是由于二战期间当时英国和德国交战时，英国急需一种能探测空中金属物体的雷达技术能在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。

定义雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文(RadioDetectionandRanging)英文的音译，意无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备

雷达的组成包括五个基本组成部分:发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

2：雷达技术在各领域中的应用

随着科技的发展，雷达技术日臻完善，现代雷达不仅能完成对目标的探测和测距，还能完成测角、测速、跟踪和成像等功能。虽然雷达技术主要用于军事方面，但其在民用领域也发挥着越来越大的作用。雷达在民用服务的主要应用包括有气象雷达，探地雷达和应用于机场、港口、和公路的交通管制雷达。

3：雷达传感器在汽车领域的几种应用

1.汽车前端ACC雷达巡航系统

2.用FMCW测距雷达取代超声波用于倒车雷达

3.车辆防盗预警

4.变道辅助驾驶系统

5.汽车自身运动速度测量等等

4：雷达技术与视频技术、超声波技术、红外线技术等竞争对手之间的比较

5：汽车各种测距方式主要技术参数对比表

6：雷达测距系统的组成框图

1.收发天线可安装于车辆保险杠内，向车前方发出发射信号，并接收反射信号

2.射频收发前端是雷达系统的核心部件，负责信号调制.，射频信号的发射接收及接收信号解调

3.信息处理模块自动分析，计算出与前方车辆间的距离和相对速度，并且防止转弯时错误测量临近车道车辆的情况发生

4.汽车控制装置：即控制汽车的自动操作系统，达到自动减速慢速行车，或紧急刹车。通过限制发动机输出转速，调节刹车作用力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速

5.报警系统：安装在驾驶室前部，精确显示前方障碍物的距离值，面板上的数字键，可根据实际情况设定保京距离值，还有特殊输出接口，当系统报警时，该接口会输出TTL电平，可用于自动刹车开发

7：奥迪Q7换道辅助系统：

1：换道辅助系统是利用雷达传感器监控车辆后方和两侧的空间障碍分布(水平方向为主、垂直方向为辅)，并在驾驶员变换行车道时提供帮助。被监控的区域也包括所谓的“视野盲区”，系统同时还对驾驶员侧和副驾驶员侧的车辆两侧进行监控，每侧都配有一个雷达传感器。当换道辅助系统(SWA)识别到变换行车道可能会发生交通危险时，系统将发出视觉提示或声音警示驾驶员。此时相应车外后视镜内的报警灯可能亮起或快速闪烁，以提示或警示驾驶员潜在的风险。

2：换道辅助系统具有2个控制单元：换道辅助系统控制单元J769(主控制单元)和换道辅助系统控制单元J770(从控制单元)。主控制单元与右侧雷达传感器组成一个单元，从控制单元与左侧雷达传感器组成一个单元。主控制单元和从控制单元在结构完全相同。其基本结构是由一块电子线路板和一个数字信号处理器组成的中央计算单元。此外，它还被用来探测和跟踪雷达传感器识别到的物体。

8：雷达传感器的监控区域：

车辆每一侧的监控区域都由一个后部区域和一个侧面区域组成，如图所示。后部监控区域从车辆后边缘开始向后延伸约50In，相当于线段A和B之间的灰色区域；侧面区域从车辆后边缘开始延伸到B柱为止，这正好是线段B和C之间的灰色区域，灰色区域的宽度测得约3.6m

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9：超车与被超车：

1：如图所示，配备了换道辅助系统(SWA)的汽车(V1)行驶在3车道高速公路的中间一条行车道上，并且正在超越右侧的一辆汽车(v2)。配备了换道辅助系统的汽车与被超车的汽车之间的速度差小于15km/h。由于速度差较小，超车过程需要一定的时间，被超越的汽车在一定的时间内消失在“视野盲区”内。在这种情况下，右侧车外后视镜内的报警灯必须通知驾驶员右侧行车道被占用。如果带有换道辅助系统车辆的驾驶员现在接通右侧转向信号灯，那么右侧车外后视镜内的报警灯将4次闪烁，以警示驾驶员

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2：如图所示，装备了换道辅助系统(SWA)的汽车(V3)中速行驶在3车道高速公路的右侧车道上，中间车道上有一辆汽车(V4)以明显较高速度从后方接近本方车辆。换道辅助系统探测到这辆不断靠近的汽车并点亮左侧车外后视镜内的报警灯。如果此时操纵左侧的转向信号灯，那么报警灯将会闪烁，以警示驾驶员如果变换行车道将有发生碰撞的危险。导致报警灯被激活的两车间最大距离取决于两车间的速度差。速度差越大，此距离范围越大。但是发出警示的最大距离极限为50m，因为50m是雷达传感器的最大探测范围。

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10：雷达测速系统：

交通雷达测速设备是一种微波电子测量仪器，这种测量设备是依据多普勒原理及现代电子技术为基础设计的一种多普勒测速雷达，它主要用于公路、铁路及其他需要测速限速的场所。

多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。这种现象最先是被奥地利物理学家多普勒在1842年发现的。多普勒提出了“波的频率和波源与观察者之间的相对运动有关”的理论，称之为多普勒原理。应用到雷达电磁波上，当雷达的电磁波在行进的过程中碰到物体时，该雷达波会被反弹，而且其反弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若雷达波所碰到的物体是固定不动的，那么所反弹回来的雷达波其频率是不会改变的。

11：雷达测速传感器优点：

传统的测速大多以旋转式运动速度测量和直线运动速度测量，但现实工业自动化中有不少非规律性的测速，比如运动员运动测速，交通车辆测速，高尔夫球速测量等情况下，雷达测速传感器可以满足这些要求。

12：倒车雷达：

倒车雷达是一种安装在汽车前、后保险杠上的电子侦测系统。采用超声波检测技术。当驾驶汽车前进或倒退以及在狭窄的车位泊车时，通过声音和提示可知车后是否有不明障碍物距离远近，从而辅导驾驶员安全，轻松地倒车，避免碰撞。

结构：1、倒车雷达模块

2、倒车雷达报警显示

3、倒车雷达传感器

4、TCM模块（传送档位信息）

5、ECM模块（传送车速信号）

6、BCM模块（触发蜂鸣器）

13：原理：

工作原理：超声波作为一种特殊声波，同样具有声波传输的基本物理特性，即反射、干涉、衍射、散射。超声波就是利用其反射特性。超声波发射器不断的发射出40KHz超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到反射信号，并将其转换为电信号，测出发射与接收到反射波的时间差t，即可求出距离。

s=1/2ct其中c为超声波音速。由于超声波也是声波，所以与温度有关。

14：自动泊车系统：

通常的泊车辅助系统是通过安装倒车雷达或后视影像系统，在泊车时给司机起到提示作用，以避免碰撞。而自动泊车系统的基本功能是能够控制车辆自动完成泊车，在此过程中可以不需要司机的干预。这样一种系统可以有效解决了新手司机泊车的烦恼，提高了车辆的智能化水平。

15：自动泊车系统的基因组成：

1、传感器系统。主要用来探测环境信息，寻找车位并实时反馈车辆位置信息。

2、中央控制系统。主要用来处理环境感知信息，并在线实时计算目标车位参数和车辆相对位置，判断可行性并确定自动泊车策略。

3、执行系统。主要根据中央控制系统的决策信息，控制方向盘和动力系统，忠实地按照决策路径控制车辆运动到泊车位。

16：自动泊车系统运行的基本过程：

1、通过传感器系统感知环境信息

2、根据传感器系统的信息得出有效车位信息、车辆相对位置，从而决策泊车初始位置

3、电子控制单元(ElectronicControlUnit，简称ECU)根据传感器信息，实时进行环境建模，生成车辆运动路径，控制车辆无碰撞地自动运动到泊车位。

17：研究方法：

1：基于路径规划方法的研究

路径规划方法通过生成既定路径控制车辆的运动轨迹。这种方法依赖于控制器的精确性，控制效果并非完全可靠。在泊车过程中，即使位置误差能够被后来的运动所补偿，也会增加相应的时间成本，从而影响自动泊车的效果。

2：基于经验方法的研究

采用智能控制算法对自动泊车问题进行研究。以模糊控制方法为例，在获得小车的方向角后，基于小车相对泊车位置的纵向和横向距离，对不同的泊车位置，不同的泊车阶段会产生不同的模糊规则。模糊控制会在每一个采样周期，根据小车相对于泊车位置的相对位姿，产生一个控制命令，可以有效补偿系统误差。

18：传感器选择：

自动泊车系统需要利用各种传感器，获得车辆的车身偏向角、转向角度、速度、位移、障碍物形状及位置等信息。显然，所知信息越多，控制难度越小。事实上，目前的传感器技术并不能完全提供以上信息，而且有的物理量，实时准确地获取其数值所需付出的代价较大，而它们对于控制过程的价值却不大。选择方案如下：

1．选择超声波传感器以测量车辆与障碍物的距离，同时可实现停车位检测；

2．选择增量式编码器作为车辆位移和速度的测量工具；

3．车辆转向角度可使用绝对式编码器测量方向盘转向角而获得，在实验平台上则使用滑动变阻器作为转向角度的测量工具。

这种方案的优点是：成本较低，技术成熟。超声波传感器已广泛应用于倒车辅助系统；编码器在工程领域上，被广泛用于位移、速度、角度的测量。它的缺点是：超声波传感器的测量精度不高，受环境影响大，对小物体的检测灵敏度低，对障碍物反射面角度有一定要求，传感器之间容易互相干扰，测量周期长,对车辆转向角度的测量也存在较大的误差。在设计泊车控制方法时，可针对所选择的传感器特点，对测量数据进行补偿.[!--empirenews.page--]

对于自动泊车系统的测距要求而言，可以看到超声波传感器具有如下优点

1)对于色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；

2)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣环境；

3)结构简单，体积小，费用低，信号处理简单可靠，易于小型化和集成化。特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其他方法高。

19：超声波传感器测距原理：

超声波传感器由发射端和接收端组成，利用压电陶瓷等材料的物理特性实现能量的转换。发射端将电能转换为机械能，并以超声波形式向外传播；接收端则将超声波的能量转换为电能。。超声波传感器有固定的工作频率，在工作频率上，能量转换效率最高。一个固定频率在40KHz的超声波传感器，需要使用40KHz的电信号驱动发射端，使其向外发射40KHz的超声波；接收端在40KHz超声波的驱动下，将产生40KHz的电信号。一般地，发射端的驱动电信号幅度在5V以上，而接收端所产生的电信号是10mV级的。

超声波传感器发射端和接收端与障碍物的位置关系如图所示。发射端向外发送超声波，超声波经障碍物反射，被接收端检测到，设整个过程经历时间为t，超声波传播速度为v则障碍物与传感器之间的距离l为：l=vt/2.假设超声波传播速度为340m/s，障碍物与传感器之间的距离在20cm至3m范围内，可得，超声波传播时间t在lms至l8ms范围内。使用单片机内部集成的定时器(timer)，可测量出超声波的传播时间。

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20：应用现状：

进入二十一世纪，多个汽车生产厂家陆续推出了自动泊车系统：2003年，丰田(Toyota)公司首先在其Prius混合动力车型上配置了智能泊车系统；2007年，又在新款LS460轿车上使用了自动泊车系统；2006年，本田(Honda)公司宣布在改进款life车型上提供智能泊车辅助系统；2006年，法国的汽车零部件供应商法雷奥(Valeo)公司发布了其第一代自动泊车系统(Park4U‘oM)，并已在大众(Volkswagen)公司的途安系列车型中应用；BMW也在测试类似的系统；SiemensVDO公司正在开发名为ParkMate的自动泊车系统，预计2008至2009年推向市场。

LS460的自动泊车系统由Toyota以及AisinSeiki合作研发，采用了Denso公司的超声波传感器和Aisin基于摄像头的图像识别技术。此系统配置了超声感应装置——车头六个感应头，车尾四个，目的是能准确检测车辆位置。图像识别上，其图像采集来自后置摄像头，Aisin通过色彩对比技术增强了该系统的空间识别性能。在开始泊车前，驾驶者需通过触摸屏确定泊车方式以及调整停车位的位置。设置好后，驾驶者按下“OK”按钮，把手从方向盘上拿开，由驾驶者控制车辆的倒车速度，自动泊车系统控制车辆的转向，借助后视摄像头、超声传感器以及转向系统中的电子马达，将车驶入停车位。这个过程中，驾驶者可以通过踩刹车或转动方向盘中止自动泊车。