無人駕駛車輛中雷達傳感器應用設計方案

　　傳感器是無人駕駛汽車的關鍵部件。能夠監(jiān)控與前方、后方或側(cè)面車輛的距離，可為中央控制器提供重要數(shù)據(jù)。光學和紅外攝像機、激光、超聲波和雷達都可用于提供有關周圍環(huán)境、道路和其他車輛的數(shù)據(jù)。例如，攝像頭可用于檢測道路上的標記，以使車輛保持在正確的車道上。這已用于在高級駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS） 中提供車道偏離警告。今天的 ADAS 系統(tǒng)還使用雷達進行碰撞檢測警告和自適應巡航控制，車輛可以跟隨前車。

　　如果沒有駕駛員的輸入，自動駕駛汽車需要更多的傳感器系統(tǒng)，通常使用來自不同傳感器的多個輸入來提供更高水平的保證。這些傳感器系統(tǒng)正在從經(jīng)過驗證的 ADAS 實施中進行調(diào)整，盡管系統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生變化以管理更廣泛的傳感器和更高的數(shù)據(jù)速率。

　　隨著用于自適應巡航控制和碰撞檢測的 ADAS 系統(tǒng)越來越多地采用，24 GHz 雷達傳感器的成本正在下降。這些現(xiàn)在正成為汽車制造商達到歐洲最高五星級 NCAP 安全等級的要求。

　　例如，英飛凌科技公司的BGT24M 24GHz 雷達傳感器可與電子控制單元 （ECU） 中的外部微控制器一起使用，以修改油門，以保持與前方車輛的恒定距離，范圍可達 20 m，如圖1所示。

　　圖 1：英飛凌科技的汽車雷達傳感系統(tǒng)。

　　許多汽車雷達系統(tǒng)使用脈沖多普勒方法，其中發(fā)射器運行短時間，稱為脈沖重復間隔 （PRI），然后系統(tǒng)切換到接收模式，直到下一個發(fā)射脈沖。當雷達返回時，對反射進行相干處理，以提取檢測到的物體的距離和相對運動。

　　另一種方法是使用連續(xù)波頻率調(diào)制 （CWFM）。這使用了一個連續(xù)的載波頻率，該載波頻率隨著時間的推移而變化，接收器不斷地打開。為了防止發(fā)射信號泄漏到接收器中，必須使用單獨的發(fā)射和接收天線。

　　BGT24MTR12 是一款用于信號生成和接收的硅鍺 （SiGe） 傳感器，工作頻率為 24.0 至 24.25 GHz。它使用一個 24 GHz 基波壓控振蕩器，并包括一個輸出頻率為 1.5 GHz 和 23 kHz 的可切換頻率預分頻器。

　　一個 RC 多相濾波器 （PPF） 用于下變頻混頻器的 LO 正交相位生成，而輸出功率傳感器和溫度傳感器則集成到設備中以進行監(jiān)控。

　　圖 2：英飛凌科技的 BGT24MTR12 雷達傳感器。

　　該器件通過 SPI 控制，采用 0.18 μm SiGe:C 技術(shù)制造，截止頻率為 200 GHz，采用 32 引腳無引線 VQFN 封裝。

　　然而，無人駕駛車輛的架構(gòu)正在發(fā)生變化。來自車輛周圍各種雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不是本地 ECU，而是被饋送到中央高性能控制器，該控制器將信號與來自攝像頭的信號以及可能來自激光雷達激光傳感器的信號結(jié)合起來。

　　控制器可以是帶有圖形控制單元 （GCU） 的高性能通用處理器，也可以是可以由專用硬件處理信號處理的現(xiàn)場可編程門陣列。這更加強調(diào)了必須處理更高數(shù)據(jù)速率和更多數(shù)據(jù)源的模擬前端 （AFE） 接口設備。

　　正在使用的雷達傳感器類型也在發(fā)生變化。77 GHz 傳感器提供更遠的范圍和更高的分辨率。77 GHz 或 79 GHz 雷達傳感器可實時調(diào)整，以在 10° 圓弧內(nèi)提供長達 200 m 的遠程傳感，例如用于檢測其他車輛，但它也可用于更寬的 30° 傳感30 m 的較低范圍的弧。更高的頻率提供更高的分辨率，使雷達傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崟r區(qū)分多個對象，例如檢測 30° 弧內(nèi)的許多行人，為無人駕駛車輛的控制器提供更多時間和更多數(shù)據(jù)。

　　77 GHz 傳感器使用具有 300 GHz 振蕩頻率的硅鍺雙極晶體管。這使得一個雷達傳感器可以用于多種安全系統(tǒng)，例如前方警報、碰撞警告和自動制動，并且 77 GHz 技術(shù)還可以更好地抵抗車輛的振動，因此需要的過濾更少。

　　圖 3： NXP提供的無人駕駛車輛中雷達傳感器的不同用例。

　　傳感器用于檢測車輛坐標系 （VCS） 中目標車輛的距離、速度和方位角。數(shù)據(jù)的準確性取決于雷達傳感器的精確對準。

　　雷達傳感器對準算法在車輛運行時執(zhí)行超過 40 Hz 的頻率。它必須在 1 毫秒內(nèi)根據(jù)雷達傳感器提供的數(shù)據(jù)以及車速、傳感器在車輛上的位置及其指向角度來計算錯位角。

　　軟件工具可用于分析從真實車輛的道路測試中捕獲的記錄傳感器數(shù)據(jù)。該測試數(shù)據(jù)可用于開發(fā)雷達傳感器對準算法，該算法使用最小二乘算法根據(jù)原始雷達檢測和主車輛速度計算傳感器未對準角度。這還根據(jù)最小二乘解的殘差估計計算角度的精度。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　德州儀器（TI）的AFE5401-Q1等模擬前端 （圖 4）可用于將雷達傳感器連接到汽車系統(tǒng)的其余部分，如圖 1 所示。AFE5401 包含四個通道，每個通道包含一個低噪聲放大器 （LNA）、可選均衡器 （EQ）、可編程增益放大器 （PGA） 和抗混疊濾波器，后接 25 MSPS 的高速 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）每個頻道。四個 ADC 輸出在 12 位、并行、CMOS 兼容輸出總線上復用。

　　圖 4：德州儀器 （TI） 的 AFE5401 雷達模擬前端中的四個通道可用于多個傳感器。

　　對于低成本系統(tǒng)，ADI 公司的AD8284提供帶有四通道差分多路復用器 （mux） 的模擬前端，可為帶有可編程增益放大器 （PGA） 和抗混疊濾波器的單通道低噪聲前置放大器 （LNA） 供電（AAF）。這也使用單個直接到 ADC 通道，所有通道都與單個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 集成。AD8284 還包含一個飽和檢測電路，用于檢測否則會被 AAF 過濾的高頻過壓條件。模擬通道的增益范圍為 17 dB 至 35 dB，增量為 6 dB，ADC 的轉(zhuǎn)換速率高達 60 MSPS。在最大增益下，整個通道的組合輸入?yún)⒖茧妷涸肼暈?3.5 nV/√Hz。

　　AFE 的輸出被饋送到處理器或 FPGA，例如Microsemi的IGLOO2或Fusion或英特爾的Cyclone IV。這可以使用 FPGA 設計工具在硬件中實現(xiàn) 2D FFT，以處理 FFT 并提供有關周圍對象的所需數(shù)據(jù)。然后可以將其饋入中央控制器。

　　FPGA 面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是檢測多個對象，這對于 CWFM 架構(gòu)來說比脈沖多普勒更復雜。一種方法是改變斜坡的持續(xù)時間和頻率，并評估檢測到的頻率如何以不同的頻率斜坡陡度在頻譜中移動。由于斜坡可以以 1 ms 的間隔變化，因此每秒可以分析數(shù)百個變化。

　　圖 5：CWFM 雷達前端與英特爾的 FPGA 配合使用。

　　來自其他傳感器的數(shù)據(jù)融合也可以提供幫助，因為攝像頭數(shù)據(jù)可用于區(qū)分來自車輛的較強回波與來自人的較弱回波，以及預期的多普勒偏移類型。

　　另一種選擇是多模雷達，它使用 CWFM 在高速公路上尋找更遠距離的目標，而短程脈沖多普勒雷達則用于更容易檢測到行人的城市地區(qū)。

　　結(jié)論

　　無人駕駛車輛 ADAS 傳感器系統(tǒng)的發(fā)展正在改變雷達系統(tǒng)的實施方式。從更簡單的防撞或自適應巡航控制轉(zhuǎn)向全方位檢測是一項重大挑戰(zhàn)。雷達是一種非常流行的傳感技術(shù)，已在汽車制造商中得到廣泛認可，因此也是這種方法的領先技術(shù)。將更高頻率的 77 GHz 傳感器與多模 CWFM 和脈沖多普勒架構(gòu)以及來自其他傳感器（如相機）的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，也對處理子系統(tǒng)提出了重大挑戰(zhàn)。以安全、一致和具有成本效益的方式解決這些挑戰(zhàn)對于自動駕駛汽車的持續(xù)發(fā)展至關重要。