傳感器是無人駕駛車輛的關(guān)鍵部件。能夠監(jiān)控前方，后方或側(cè)面的車輛距離，為中央控制器提供重要數(shù)據(jù)。光學(xué)和紅外攝像機(jī)，激光，超聲波和雷達(dá)都可用于提供有關(guān)周圍環(huán)境，道路和其他車輛的數(shù)據(jù)。例如，攝像機(jī)可用于檢測道路上的標(biāo)記，以使車輛保持在正確的車道上。這已用于在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中提供車道偏離警告。今天的ADAS系統(tǒng)還使用雷達(dá)進(jìn)行碰撞檢測警告和自適應(yīng)巡航控制，車輛可以跟隨前方車輛。

如果沒有駕駛員輸入，自動(dòng)駕駛汽車需要更多傳感器系統(tǒng)，通常使用多個(gè)輸入從不同的傳感器提供更高水平的保證。盡管系統(tǒng)架構(gòu)正在改變以管理更廣泛的傳感器和更高的數(shù)據(jù)速率，但這些傳感器系統(tǒng)正在從成熟的ADAS實(shí)施中進(jìn)行調(diào)整。

隨著ADAS系統(tǒng)越來越多地采用自適應(yīng)巡航控制和碰撞檢測，24 GHz雷達(dá)傳感器的成本正在下降。這些現(xiàn)在成為汽車制造商在歐洲獲得最高五星級(jí)NCAP安全評(píng)級(jí)的要求。

例如，英飛凌科技公司的BGT24M 24GHz雷達(dá)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最大為20 m，如圖1所示。

圖1：英飛凌科技公司的汽車?yán)走_(dá)傳感系統(tǒng)。

< p>許多汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用脈沖多普勒方法，其中發(fā)射機(jī)工作一段短時(shí)間，稱為脈沖重復(fù)間隔（PRI），然后系統(tǒng)切換到接收模式直到下一個(gè)發(fā)射脈沖。當(dāng)雷達(dá)返回時(shí)，反射被相干處理以提取檢測到的物體的范圍和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

另一種方法是使用連續(xù)波頻率調(diào)制（CWFM）。這使用連續(xù)載波頻率，該頻率隨著接收器的不斷變化而不斷變化。為防止發(fā)射信號(hào)泄漏到接收器中，必須使用單獨(dú)的發(fā)射和接收天線。

BGT24MTR12是用于信號(hào)發(fā)生和接收的硅鍺（SiGe）傳感器，工作頻率為24.0至24.25 GHz 。它采用24 GHz基本壓控振蕩器，包括一個(gè)可切換頻率預(yù)分頻器，輸出頻率為1.5 GHz和23 kHz。

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集成在器件中進(jìn)行監(jiān)控。

圖2：英飛凌科技的BGT24MTR12雷達(dá)傳感器。

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

然而，架構(gòu)正在發(fā)生變化用于無人駕駛車輛。車輛周圍各種雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代替本地ECU，被送入中央高性能控制器，該控制器將信號(hào)與來自攝像機(jī)和可能來自激光雷達(dá)傳感器的信號(hào)相結(jié)合。

控制器可以是帶有圖形控制單元（GCU）的高性能通用處理器，也可以是現(xiàn)場可編程門陣列，其中信號(hào)處理可由專用硬件處理。這更加強(qiáng)調(diào)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(shè)備。

所使用的雷達(dá)傳感器類型也在發(fā)生變化。 77 GHz傳感器提供更長的距離和更高的分辨率。 77 GHz或79 GHz雷達(dá)傳感器可以實(shí)時(shí)調(diào)整，在10°弧度范圍內(nèi)提供長達(dá)200 m的長距離傳感，例如用于檢測其他車輛，但它也可以用于更寬的30°傳感弧度較低，范圍為30米。較高的頻率提供了更高的分辨率，允許雷達(dá)傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)區(qū)分多個(gè)物體，例如在30°弧內(nèi)檢測多個(gè)行人，為無人駕駛車輛提供更多時(shí)間和更多數(shù)據(jù)的控制器。

77 GHz傳感器使用具有300 GHz振蕩頻率的硅鍺雙極晶體管。這允許一個(gè)雷達(dá)傳感器用于多個(gè)安全系統(tǒng)，例如車頭時(shí)距警報(bào)，碰撞警告和自動(dòng)制動(dòng)，77 GHz技術(shù)也更能抵抗車輛振動(dòng)，因此需要更少的過濾。

應(yīng)用探測范圍安全方面技術(shù)自適應(yīng)巡航控制200米正常駕駛，事故避免77 GHz雷達(dá)預(yù)碰撞30米事故，減輕沖擊77 GHz雷達(dá)/24 GHz雷達(dá)
76/81 GHz雷達(dá)盲點(diǎn)探測20米正常駕駛，事故避免77 GHz雷達(dá)/24 GHz雷達(dá)/視覺傳感器車道偏離警告60米正常駕駛，事故避免視覺傳感器停止和走30米正常駕駛，事故避免77 GHz雷達(dá)/24 GHz雷達(dá)
76/81 GHz雷達(dá)

圖3：NXP針對(duì)無人駕駛車輛中雷達(dá)傳感器的不同使用情況。

傳感器用于檢測車輛坐標(biāo)系中目標(biāo)車輛的航程，速度和方位角（ VCS）。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于雷達(dá)傳感器的精確對(duì)準(zhǔn)。

雷達(dá)傳感器對(duì)準(zhǔn)算法在車輛運(yùn)行時(shí)執(zhí)行超過40 Hz。在1 ms內(nèi)，它必須根據(jù)雷達(dá)傳感器提供的數(shù)據(jù)，車輛速度，傳感器在車輛上的位置以及指向角來計(jì)算錯(cuò)位角度。

軟件工具可用于分析從道路測試中捕獲的記錄的傳感器數(shù)據(jù)。該測試數(shù)據(jù)可用于開發(fā)雷達(dá)傳感器對(duì)準(zhǔn)算法，該算法使用最小二乘算法計(jì)算來自原始雷達(dá)檢測和主車輛速度的傳感器未對(duì)準(zhǔn)角度。這也可以根據(jù)最小二乘解的殘差來估計(jì)計(jì)算角度的精度。

系統(tǒng)架構(gòu)

模擬前端，如德州儀器的AFE5401-Q1（圖4）可用于將雷達(dá)傳感器連接到汽車系統(tǒng)的其余部分，如圖1所示.AFE5401包括四個(gè)通道，每個(gè)通道包括一個(gè)低噪聲放大器（LNA），一個(gè)可選均衡器（EQ），一個(gè)可編程增益放大器（PGA）和一個(gè)抗混疊濾波器，后面跟著一個(gè)高速，12位，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），每通道25 MSPS。四個(gè)ADC輸出在12位并行CMOS兼容輸出總線上復(fù)用。

圖4：德州儀器的AFE5401雷達(dá)模擬前端的四個(gè)通道可用于多個(gè)傳感器。

對(duì)于低成本系統(tǒng)，ADI公司的AD8284提供模擬前端采用四通道差分多路復(fù)用器（mux），為單通道低噪聲前置放大器（LNA）提供可編程增益放大器（PGA）和抗混疊濾波器（AAF）。這也使用單個(gè)直接到ADC通道，所有通道都集成了一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 AD8284還集成了飽和檢測電路，用于高頻過壓條件，否則將被AAF濾波。模擬通道的增益范圍為17 dB至35 dB，增量為6 dB，ADC的轉(zhuǎn)換速率最高為60 MSPS。在最大增益時(shí)，整個(gè)通道的組合輸入?yún)⒖茧妷涸肼暈?.5 nV/√Hz。

AFE的輸出被送入處理器或FPGA，如IGLOO2或Microsemi的Fusion或Intel的Cyclone IV。這可以使用FPGA設(shè)計(jì)工具在硬件中實(shí)現(xiàn)2D FFT，以處理FFT并提供周圍對(duì)象所需的數(shù)據(jù)。然后可以將其輸入中央控制器。

FPGA的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是檢測多個(gè)對(duì)象，這對(duì)于CWFM架構(gòu)而言比脈沖多普勒更復(fù)雜。一種方法是改變斜坡的持續(xù)時(shí)間和頻率，并評(píng)估檢測到的頻率如何在頻譜中以不同的頻率斜坡陡度移動(dòng)。由于斜坡可以以1 ms的間隔變化，因此每秒可以分析數(shù)百種變化。

圖5：CWFM雷達(dá)前端用于來自英特爾的FPGA。

來自其他傳感器的數(shù)據(jù)融合也可以提供幫助，因?yàn)橄鄼C(jī)數(shù)據(jù)可用于區(qū)分車輛更強(qiáng)的回報(bào)與人們的回報(bào)較弱，以及期望的多普勒偏移量。

另一種選擇是多模雷達(dá)，它使用CWFM在高速公路上尋找更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，而短程脈沖多普勒雷達(dá)則用于更容易被探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(dá)系統(tǒng)的實(shí)施方式。從簡單的碰撞避免或自適應(yīng)巡航控制轉(zhuǎn)向全面檢測是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。雷達(dá)是一種非常流行的傳感技術(shù)，已經(jīng)與汽車制造商建立了良好的關(guān)系，因此是這種方法的領(lǐng)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（如攝像頭）的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，也為處理子系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。以安全，一致和具有成本效益的方式解決這些挑戰(zhàn)對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。