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朱玉龙:毫米波雷达在智能汽车中的应用探讨

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导读:在过去的 20 年里,毫米波雷达作为汽车传感器已经在技术方案中站稳了脚跟。

当毫米波雷达第一次出现在市场上时,是作为一种豪华车的配置(和现在的红外夜视相似)。而如今,随着毫米波雷达和关键的辅助驾驶安全功能捆绑,它也成为汽车主动安全的代名词。随着汽车行业往智能化方向发展,雷达相对于其他传感器类型的优势使它向更广泛的应用领域进发。

▲图1. 智能汽车中毫米波雷达的作用

半导体公司基于CMOS的单芯片解决方案的量产正在加速毫米波雷达的部署,单芯片一方面降低了整个77Ghz雷达的研发难度,另一方面使得产品的合格率与成本都发生很大变化。

单芯片的高度集成使得目标位置,速度等信息都能进行多传感器的融合判断,这也加速了毫米波雷达在汽车和工业领域的使用。其77G 4D雷达可以做到火柴盒大小,是传统毫米波雷达(ABCD Autoliv、Bosch、Continental、Delphi)的一半大小。长距雷达测距能达到250米,角度分辨率小于3度,行人和自行车检测性能突出。量产价格可以让传统毫米波雷达做到价格更低。

▲图2. 毫米波雷达模组的进化,使得更多的玩家进入这个领域

一、自动驾驶使用的毫米波雷达

毫米波雷达的工作波段一般为30GHz-300GHz,波长介于微波和厘米波(1mm-10mm)之间,目前成熟商用的车载毫米波雷达包括24GHz(MRR,短中距离雷达)和77GHz(LRR,长距离雷达),后者体积小、功耗低、带宽高、分辨率好、探测距离远。

24GHz MRR探测距离在70米以内,适用于盲点监测(BSD)、变道辅助、、自动紧急刹车(AEB)等场景,2021年12月工信部的《汽车雷达无线电管理暂行规定》 “为推动汽车智能化技术应用和产业发展,将76GHz-79GHz频段规划用于汽车雷达”。从2022年3月1日正式实施起“将不再受理和审批24.25GHz-26.65GHz频段汽车雷达的无线电发射设备型号核准申请”。77GHz LRR探测距离为数百米,主要应用于自适应巡航、自动紧急刹车、前向碰撞预警(FCW)等场景。

随着自动辅助驾驶往高阶进化,自动驾驶感知系统对感知的准确性和可靠性提出高要求的同时,也对传感器提出了“全天候工作”“探测距离更远” “感知信息维度更多/更精准”的要求。

全球很多车企开始配置5个毫米波雷达,未来可能会配置8个毫米波雷达,很多感知方案使用摄像头和毫米波雷达做数据融合,从传统的后融合、结果融合,到混合式融合、前融合。

随着毫米波雷达成本的降低,还有行车和泊车领域的融合,在泊车领域毫米波起到的作用比传统的超声波传感器更大。主要有以下几个优势:

(1)探测范围更长

通过感应更远距离的物体,可以检测到停车区附近的更多物体。以TI 的 AWR1843AOP 为例,可以检测远至 50 m 的物体。

(2)检测物体更为精确

传统超声波传感器的最近检测距离约为10-15 厘米,AWR1843AOP可以检测距离最近 4 厘米的物体,可帮助泊车系统在狭窄、紧凑的停车位上使用,同时可以检测靠近车辆的路缘石来提高泊车的成功率。图4 显示了毫米波雷达区分几种不同大小和材料(包括木材、金属和塑料)的类型物体的能力,在实验的场景下包括塑料路锥、手推车、木桩和金属桩。

(3)视野覆盖范围更广

相比超声波传感器(通常多达 12 个),毫米波雷达的视野覆盖范围更广,可和视觉一起实现 360 度覆盖能力。AWR1843AOP 的 140 度垂直视野能够检测低处物体,例如路牙子的石头、宠物和停车场里面的各种奇奇怪怪的东西。宽视场和高范围分辨率,可以同时检测和区分多个静态对象。。

▲图3. 在泊车系统中的毫米波雷达

▲图4. 毫米波雷达检测停车场中的各种物体

二、座舱毫米波检测

座舱的技术中,现在比较流行手势检测——这是提供一种新的交互方式,挥一挥手即可控制车内温度、照明、窗户、智能座舱系统等。

实现这种方案可以使用飞行时间传感器 (ToF) 或摄像头,在这方面座舱里面也可以使用毫米波雷达作为多功能传感器,实现手势控制和车内感应。能检测多种手势,例如挥手(从左到右、从右到左、从上到下、从下到上),TI 的 AWR6843AOP毫米波传感器可实现高精度手势检测,可灵活放置在车辆中的任何位置(顶部控制台或座舱仪表)。

▲图5. 座舱里面毫米波雷达使用

毫米波传感器的特点,是可以在不同的光线条件下运行(在阳光直射下,摄像头容易误报),通过3D 点云信息为系统提供数据参数(如在车内的距离、角度和速度)。多模式功能全部集于一个芯片上 ,TI 的智能集成毫米波芯片可在一个器件上提供多种功能,这种类似于让毫米波雷达具备独立的功能,和整个智能座舱搭配一起使用。

当汽车处在停放状态,汽车主要系统下电后,毫米波传感器可以处于低功耗状态,提供车内儿童或入侵检测。

当汽车处在正常状态时,传感器可以进行手势检测。

这样做的好处,主要是简化座舱内传感器的配置,可以实现灵活的车内布置(宽视野以及毫米波穿透材料感应的能力)。根据应用的不同,可以将传感器集成到仪表板、顶部控制台,甚至第二排或第三排座位中,实现更加个性化的应用(例如照明、娱乐屏幕或乘客对温度或音频的调节)。 

小结:

毫米波雷达最早从军事用途逐步往外走,实际上作为一种非接触式传感技术,毫米波雷达传感器具有感测精准、不易被干扰等优点,现已广泛应用于汽车高级驾驶辅助系统和自动驾驶领域。

随着工业和消费领域自动化需求的提升和发展,毫米波雷达的应用范围正超出车载领域,逐渐向智慧城市、楼宇自动化、健康监护等行业扩展。特别是单片化毫米波雷达模组的出现,使得毫米波雷达芯片半导体企业在推动全产业链的推进。

作者:汽车电子设计 朱玉龙

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