這些趨勢(shì)，正在重塑超聲波傳感器的應(yīng)用

智能自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須能夠感知周?chē)h(huán)境，以便及時(shí)做出決策，確保安全行駛。對(duì)于泊車(chē)和盲點(diǎn)檢測(cè)等短距離應(yīng)用，超聲波技術(shù)因其簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性而備受青睞。最近，超聲波憑借其多功能性，開(kāi)辟了許多新的用例。本博客將簡(jiǎn)要介紹超聲波傳感器的發(fā)展歷程，并結(jié)合當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用，預(yù)測(cè)未來(lái)幾年超聲波傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

汽車(chē)超聲波傳感器簡(jiǎn)史

超聲波技術(shù)常用于檢測(cè)物體和發(fā)現(xiàn)固體材料中的缺陷，其首項(xiàng)專(zhuān)利可以追溯到上世紀(jì)30年代。一直以來(lái)，超聲波通常用于檢測(cè)應(yīng)用，例如入侵者報(bào)警系統(tǒng)。

當(dāng)車(chē)輛配備了更多電子設(shè)備后，汽車(chē)制造商開(kāi)始設(shè)法解決駕駛過(guò)程中造成損壞的問(wèn)題。早期的解決方案是將超聲波傳感器安裝到保險(xiǎn)杠中，并與車(chē)內(nèi)的蜂鳴器結(jié)合，提醒駕駛員注意潛在的危險(xiǎn)。后來(lái)又為蜂鳴器增加了一個(gè)屏幕，用于顯示障礙物的位置。

隨著超聲波換能器的發(fā)展，性能有所提升，主要是提高了信噪比(SNR)和增加檢測(cè)距離。性能提升后，傳感技術(shù)能夠用于更多安全攸關(guān)的汽車(chē)應(yīng)用，例如檢測(cè)盲點(diǎn)中的其他車(chē)輛或檢測(cè)道路狀況，以便在路面潮濕時(shí)調(diào)整制動(dòng)。

近期，超聲波傳感器開(kāi)始應(yīng)用到車(chē)艙內(nèi)部，用于檢測(cè)乘客以觸發(fā)安全帶警告，并確保根據(jù)乘客的體型和體重來(lái)部署安全氣囊，從而響應(yīng)預(yù)期出臺(tái)的法規(guī)。此外還可以用于監(jiān)測(cè)駕駛員的警覺(jué)性、檢測(cè)呼吸和心跳。

考慮到現(xiàn)代儀表板的復(fù)雜性，手勢(shì)控制可能會(huì)變得越來(lái)越受歡迎。在相關(guān)應(yīng)用中，超聲波傳感器追蹤駕駛員手部的動(dòng)作，并將其作為輸入信號(hào)，以類(lèi)似于按壓開(kāi)關(guān)或轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕的方式來(lái)操作車(chē)輛。

安森美(onsemi)的超聲波傳感器解決方案

自2007年以來(lái)，安森美一直是向各大汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)提供泊車(chē)輔助和自動(dòng)駕駛專(zhuān)用超聲波傳感器接口的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。與壓電超聲波換能器和一些附加電路相結(jié)合時(shí)，安森美的NCV75215超聲波傳感器可提供基于飛行時(shí)間(ToF)的距離測(cè)量。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在泊車(chē)或執(zhí)行短距離低速行駛時(shí)識(shí)別障礙物。在電路和換能器允許的情況下，這個(gè)非常靈敏的設(shè)備可以檢測(cè)0.25米至4.5米范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)75毫米桿。

圖1：包含多個(gè)傳感器的泊車(chē)輔助用例

如需全面評(píng)估芯片在泊車(chē)（或其他類(lèi)似）應(yīng)用中的性能，設(shè)計(jì)人員可以向安森美申請(qǐng)NCV75215R1GEVK超聲波泊車(chē)輔助套件。該評(píng)估套件基于先進(jìn)的圖形用戶(hù)界面(GUI)，操作簡(jiǎn)單，可對(duì)原型進(jìn)行全面評(píng)估和詳細(xì)調(diào)試。評(píng)估套件(EVK)內(nèi)有一個(gè)EEPROM，用于保存重要的用戶(hù)數(shù)據(jù)以及配置設(shè)置。該芯片支持全面訪(fǎng)問(wèn)，并且可以通過(guò)GUI調(diào)整接收(Rx)增益和發(fā)送(Tx)電流等關(guān)鍵參數(shù)。

未來(lái)趨勢(shì)和創(chuàng)新

隨著超聲波技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)者期望的提高（尤其是在汽車(chē)領(lǐng)域），創(chuàng)新應(yīng)用正在不斷涌現(xiàn)。很多人預(yù)計(jì)，這個(gè)領(lǐng)域的變革速度將會(huì)加快。

例如在4D傳感中，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)與超聲波傳感器并排放置。MEMS麥克風(fēng)能夠接收超聲波信號(hào)，并檢測(cè)其他聲音，包括車(chē)輛接近的噪音。一個(gè)重要的用例是識(shí)別緊急車(chē)輛的警報(bào)聲，警告需要采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

其所面臨的挑戰(zhàn)包括積聚的灰塵和濕氣會(huì)導(dǎo)致超聲波傳感器和前置攝像頭的性能下降。而近期有些創(chuàng)新設(shè)計(jì)在傳感器組件中加入了壓電裝置，使傳感器能夠高頻振動(dòng)。事實(shí)證明，這可以去除雨滴、一般污垢和積冰，確保安全攸關(guān)的傳感器正常運(yùn)行。

環(huán)境問(wèn)題促使行業(yè)轉(zhuǎn)向電力推動(dòng)，了解牽引電池的充電狀態(tài)和健康狀況至關(guān)重要。這通常需借助電壓和電流測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法存在局限性。安裝在電池內(nèi)部的超聲波換能器可以高度準(zhǔn)確地指示電池的充電狀態(tài)(SoC)和健康狀況(SoH)。

結(jié)論

數(shù)十年來(lái)，安森美一直是汽車(chē)市場(chǎng)超聲波技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于提供多種解決方案以及設(shè)計(jì)工具，如評(píng)估套件等。盡管超聲波測(cè)距技術(shù)歷史悠久，但車(chē)輛如今越來(lái)越注重于檢測(cè)附近的物體，該技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)復(fù)興。

最近，這種趨勢(shì)已擴(kuò)展到車(chē)載應(yīng)用以及工業(yè)應(yīng)用（如自動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)等）領(lǐng)域，以進(jìn)一步提高安全性。汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng)新步伐持續(xù)加快，目前正向更高水平的ADAS和自動(dòng)駕駛不斷邁進(jìn)，未來(lái)，超聲波技術(shù)有望提供更高的性能，并擴(kuò)大在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。