無人駕駛中多通道雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所有無人駕駛車輛都在很大程度上依賴傳感器。 任何導(dǎo)引系統(tǒng)都需要的主要傳感器技術(shù)是位置識(shí)別。 當(dāng)然，GPS 和地理定位技術(shù)均已嵌入大多數(shù)智能手機(jī)中。 雖然這些系統(tǒng)相當(dāng)可靠，但仍未可靠到足以滿足與傳統(tǒng)有人駕駛車輛共用相同公路和街道的個(gè)別無人駕駛車輛或車隊(duì)的需求。

想一下您親身經(jīng)歷。 有多少次 GPS 定位不準(zhǔn)或者效率不佳？ 如果沒有人類頭腦的支持，那么天氣條件、電子噪聲源以及地圖不一致等因素均可導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

另一個(gè)因素是分辨率。 如果您只需要精確到米，那么如今的 GPS 或許已經(jīng)足夠好了，但如果您需要精確到厘米的分辨率呢？ 在以米計(jì)量的范圍內(nèi)產(chǎn)生的錯(cuò)誤，如果導(dǎo)致越過雙黃線，車輛將迎頭相撞。 同樣地，在沿海公路上產(chǎn)生的米級(jí)精度錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致車輛墜崖。

除位置以外，車輛防撞是自動(dòng)駕駛汽車的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 雖然自動(dòng)駕駛車輛可通過編程來提高駕駛的警惕性，確保其不受交談、音樂或手機(jī)的干擾，但它們還是必須與那些無法做到安全駕駛甚至不遵守交通規(guī)則的人類共用馬路。 這意味著自導(dǎo)引車輛在恪守其職的同時(shí)，還必須結(jié)合計(jì)劃和策略來處理人為錯(cuò)誤。

可用的解決方案

對(duì)于整體位置感知來說，模塊化 GPS 解決方案是不錯(cuò)的選擇。 低成本低功耗的小型 GPS 模塊可支持多種國(guó)際協(xié)議，例如中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的 Glonass、歐盟的 Galileo 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (GNSS) 以及美國(guó)的全球定位系統(tǒng) (GPS) 技術(shù)。 Antenova M10478-A3 等模塊包含寬帶天線，可為上述所有的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供支持，同時(shí)也可提供數(shù)據(jù)速率高達(dá) 115.2 Kbits／秒的基于 UART 的簡(jiǎn)單接口，幾乎能夠輕松連接任何標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式微控制器。

設(shè)計(jì)工程師應(yīng)注意，限制因素往往并非車輛的尺寸和動(dòng)力，而是靈敏度與擴(kuò)展溫度范圍。 Antenova 模塊具備 –165 dB 的高靈敏度，其工作溫度范圍在 –40 到 +80°C 之間。 10 Hz 的固定更新率可幫助確保隨時(shí)快速獲取最新的位置信息，從而讓在地面上移動(dòng)相對(duì)緩慢的車輛保持正常行駛。

額定電壓電流為 3.3 V、38 mA 的屏蔽式模塊本身安裝在 28 引腳的 13.8 x 9.5 x 1.8 mm SMT 可安裝板上，此板可直接回流到包含嵌入式微控制器的主母板上。 Antenova M10478-A3-U1 的開發(fā)和評(píng)估板可輕松連接 USB，從而能夠快速地測(cè)試與評(píng)估該解決方案，同時(shí)投資少且風(fēng)險(xiǎn)低。

地圖內(nèi)存和數(shù)據(jù)將獲得許可或進(jìn)行修補(bǔ)來使用 Google 地圖等通用的地圖解決方案，同時(shí)也可能需要 GSM 和互聯(lián)網(wǎng)連接。 GSM 解決方案也能提供 GPS 功能。 例如，Maestro Wireless Solutions M1003GXT48500 3G GSM 調(diào)制解調(diào)器集成了 GSM 功能與 GPS 支持，從而能夠?qū)崿F(xiàn)地理定位和 GPS 的功能（圖 1）。 這提供了一個(gè)備用解決方案，即利用蜂窩信號(hào)發(fā)射塔和衛(wèi)星來獲取修正。

圖 1： GSM 與 GPS 的集成模塊可允許衛(wèi)星連接和蜂窩連接，以實(shí)現(xiàn)位置感知。

防撞

檢測(cè)物體以避免碰撞，是自動(dòng)導(dǎo)航車輛安全性要求的關(guān)鍵部分。 雖然可從各種渠道獲得大量的 CCD 圖像傳感器和攝像機(jī)，但如果工程師需要快速高效地開發(fā)傳感器算法，那么視頻傳感器與控制處理器之間應(yīng)該具備一個(gè)靈活的平臺(tái)。

理想的解決方案是，利用可直接支持視頻流的 FPGA 技術(shù)來檢測(cè)邊緣、優(yōu)化圖像以及在快速的硬件中執(zhí)行計(jì)算，從而確定靠近物體的速度、方向和接近程度，并進(jìn)行威脅評(píng)估。

Lattice Semiconductor 提供了一個(gè)理想的解決方案，此方案搭配其 LFE3-70EA-HDR60-DKN 開發(fā)系統(tǒng)，用于 1080p、60 fps 的視頻攝像頭。 此平臺(tái)包含一個(gè)參考設(shè)計(jì)和 IP，可與該公司的 LCMXO2-4000HE-DSIB-EVN 圖像接口板及其 LF-9MT024NV-EVN Nanovesta 攝像頭板配套使用。

此項(xiàng)技術(shù)將兩個(gè)圖像傳感器合并為一個(gè)視頻數(shù)據(jù)流（圖 2），能夠進(jìn)行深度感知和更精確的速度與位置感應(yīng)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)白平衡、消除 2D 噪聲以及提供行業(yè)最快的自動(dòng)曝光，分辨率高達(dá) 1600 萬像素。

圖 2： 支持兩個(gè)獨(dú)立的攝像機(jī)和視頻流，可進(jìn)行深度感知，這是無人駕駛車輛的重要優(yōu)勢(shì)。

雷達(dá)元器件

微型雷達(dá)裝置目前已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。 這些裝置利用射頻技術(shù)來確定接近度、范圍、速度和相對(duì)物體尺寸。

因?yàn)槠囆袠I(yè)已將此技術(shù)廣泛用于其防撞領(lǐng)域，因此，自動(dòng)停車系統(tǒng)、雷達(dá)芯片、元器件、開發(fā)系統(tǒng)和子組件均可隨時(shí)用于無人駕駛車輛的設(shè)計(jì)。

請(qǐng)注意，多通道雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成并已投入使用，這主要是因?yàn)檐囕v有多個(gè)面需要監(jiān)控。 也能采用諸如升降門檢測(cè)系統(tǒng)這樣的單通道雷達(dá)系統(tǒng)，但必須對(duì)每一側(cè)、軸以及自主駕駛車輛面臨潛在威脅處都裝設(shè)一組雷達(dá)。 例如，前向雷達(dá)和側(cè)向雷達(dá)適用于避免行人，但自主駕駛車輛也可能需要深度檢測(cè)來確定路邊有溝渠，輪胎漏氣等情況下不適合在此處停車。

此領(lǐng)域所使用的元器件可能包括 Texas Instruments AFE5401TRGCTQ1 等零件。 這是一款單片式 4 通道模擬雷達(dá)前端，配有集成式低噪聲放大器、均衡器、可編程增益放大器、抗混疊以及帶有 12 位分辨率的 A／D（圖 3）。 特別有趣的是，該額定電壓為 1.8 伏的零件允許在所有通道同步采樣，并且采樣速率高達(dá)每秒 2500 萬個(gè)樣本，另外，12 位的兼容并行總線可將采集到的數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)奖镜刂鳈C(jī)控制器。

圖 3： 多通道單片式雷達(dá)裝置，例如該 4 通道接收器，是無人駕駛車輛的理想解決方案。

Analog Devices 隨其 AD8285WBCPZ 4 通道前端 12 位 ADC 提供了類似的解決方案。 此零件由該公司的 AD8285CP-EBZ RX 路徑雷達(dá)評(píng)估板提供支持，該板使用與 SPI 連接的一體式 FIFO 來靈活捕獲數(shù)據(jù)。

總之，使用自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)送可能在實(shí)行初期費(fèi)用昂貴，也可能面臨各種潛在障礙，例如規(guī)范和責(zé)任等方面的困難。 然而，必要的技術(shù)性解決方案（特別是以基于傳感器的模塊和系統(tǒng)的形式）現(xiàn)在或者即將可供設(shè)計(jì)工程師使用。 使用 GPS、雷達(dá)和視頻感測(cè)的現(xiàn)今高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS，例如自適應(yīng)巡航控制和自動(dòng)緊急剎車）已經(jīng)表明，自主駕駛車輛正式上路只是遲早的事。