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    毫米波雷達在汽車自動駕駛中的應用與展望

    發布時間:2020-04-24 09:15所屬分類:交通運輸瀏覽:1加入收藏

    摘要:從毫米波雷達技術和汽車自動駕駛的現狀出發,總結了毫米波雷達在汽車自動駕駛中的應用現狀,展望了發展趨勢,分析了關鍵技術,以期為該行業

      摘要:從毫米波雷達技術和汽車自動駕駛的現狀出發,總結了毫米波雷達在汽車自動駕駛中的應用現狀,展望了發展趨勢,分析了關鍵技術,以期為該行業相關人員提供參考。

      關鍵詞:汽車自動駕駛;毫米波雷達;應用現狀;關鍵技術

    汽車自動駕駛

      一、引言

      毫米波雷達原理是利用雷達天線由發射機發射電磁波,采用障礙物反射再由接收機接收的工作原理,根據收發之間的時間差測得目標位置數據。毫米波雷達研制開始于20世紀40年代,而實際的應用在20世紀50年代才開始展現。進入21世紀后,得益于MMIC、DSP芯片及MCU技術的快速發展,毫米波雷達在民用領域的應用才開始逐步顯現。由于其窄波束、小孔徑天線及高天線增益等特性,使其具備了精度高、識別力強、全天候、全天時及抗干擾等諸多優勢,成為了目標識別、測量、定位不可或缺的重要手段。

      汽車自動駕駛技術是利用傳感器包括攝像頭、雷達和超聲波來感知周邊交通情況,輔以地圖路線規劃,通過人工智能決策實現車輛自動駕駛。目前環境感知、精準定位、高精地圖及測試驗證技術己步入高速發展時期,綜合技術整體處于L2到L3的轉變階段,即部分自動駕駛到有條件自動駕駛的轉變階段。由于決策規劃及控制執行屬于人工智能范疇且發展剛起步,隨著信息化水平、計算機能力、SG技術的提升,人工智能將助推自動駕駛從L3跨越到L4、L5,預計在2025~2030年全面實現汽車全自動駕駛。

      本文將對毫米波雷達在汽車自動駕駛中的應用情況進行總結和分析,并給出關鍵技術和發展趨勢。

      二、毫米波雷達和汽車自動駕駛的現狀

      (一)毫米波雷達

      毫米波雷達系統核心包括天線、前端收發組件、數字信號處理器。

      1.天線

      目前毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列,設計集成在PCB板的微帶貼片天線。由于毫米波的波長較短,電路極易發射色散和產生高次模,而且基板材料的介電常數和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯,因此需要介電常數穩定、損耗特性低等高性能的高頻PCB基材,目前雷達天線PCB技術由國外少數公司掌握,國內高頻PCB板廠商暫無技術儲備,只能根據圖紙代加工,仍需國外進口

      2.前端收發組件

      前端收發組件目前集成的主要方法是MMIC,MMIC簡化了雷達系統結構,集成度高、成本低且成品率高,適合于大規模生產。基于CMOS工藝的MMIC芯片為行業主流方案,可實現高的集成度,降低系統尺寸、功率和成本,還能嵌入更多的功能。雖然CMOS工藝面臨速度和低頻噪聲等問題,隨著深亞微米和納米工藝的不斷發展,硅基工藝特征尺寸不斷減小,柵長的縮短彌補了電子遷移率的不足,使晶體管截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高,使得CMOS工藝在毫米波雷達應用方面不斷地取得突破。目前MMIC技術主要由國外半導體公司掌控,隨著近些年國內廠商逐漸增長,部分關鍵技術己取得了突破。

      3.數字信號處理器

      數字信號處理系統主要通過DSP芯片或FPGA芯片來實現,DSP適用于較復雜得多算法任務,而FPGA通過較大規模的組合邏輯電路設計完成復雜的時序邏輯功能。在雷達信號處理、數字圖像處理等領域中,信號處理的實時性至關重要。由于FPGA芯片在大數據量的底層算法處理上的優勢及DSP芯片在復雜算法處理上的優勢,融合DSP+FPGA的實時信號處理系統的應用是發展趨勢。目前高端DSP芯片和FPGA芯片主要被國外企業壟斷,國內技術實力欠缺。

      (二)汽車自動駕駛

      近年來,眾多車商紛紛推出了各自的自動駕駛解決方案,希望在商業藍海中搏殺出一片天地,Waymo.特斯拉作為行業引領者,其發展布局萬眾矚目。谷歌旗下子公司Waymo;早在2009年就開始布局全自動駕駛領域,歷經十年的探索發展,目前已成為汽車自動駕駛領域中技術最為成熟的企業,其下的Waymo~車型于2018年在美國鳳凰城郊區投入運營,提供全自動無人駕駛出租車收費服務,2019年7月Waymo獲得了美國加州監管機構許可,正式在加州開展無人駕駛出租車運營,標志著全自動無人駕駛技術進入了商業應用階段。特斯拉作為自動駕駛技術應用于商業最為激進的企業,2016年搭載Autopliot模塊的全系車型開始量產,可為駕駛員提供全場景、全路況自動駕駛應用,無論在城市、鄉村、高速公路,均可實現車輛完全自動駕駛(LS),成為了最早實現全場景、全路況無人駕駛的汽車制造商。

      三、毫米波雷達在汽車自動駕駛中的應用及趨勢

      (一)毫米波雷達在汽車自動駕駛中的應用現狀

      汽車自動駕駛過程需要環境感知傳感器為決策執行提供依據,目前主流的環境感知傳感器包含視覺攝像頭、毫米波雷達、聲波雷達及激光雷達等,由于毫米波雷達受惡劣天氣及光線影響較少,可以穿透雨雪、濃霧、塵霾進行全天候、全天時工作,使之成為必不可少的環境感知傳感器。

      毫米波車載雷達通常指工作在30300GHz頻域的雷達,目前主要用于L1階段,提供前車防撞預警、自適應巡航控制、變道輔助及盲點監測等輔助駕駛功能,頻段主要有24GHz和77G1z兩種,技術及應用已相當成熟;在L2~L5階段,毫米波雷達輔助攝

      作者簡介:陸葉(1982-),男,四川成都人,碩士,工程師,主要從事電子信息管控等相關市場工作。像頭、激光雷達等進行探測補充,為車輛自動駕駛決策提供環境數據,技術及應用也逐步成熟。

      作為汽車自動駕駛領軍的Waymo及特斯拉就采用了兩種不同的方案,Waymo使用激光雷達為主(5個激光雷達+4個毫米波雷達+1個攝像頭),而特斯拉則使用視頻攝像頭為主(8個攝像頭+1個毫米波雷達+12個超聲波雷達)。由此可見,毫米波雷達由于其不可替代性及成本可控,已成為自動駕駛解決方案中必不可少的傳感器,其作用主要是輔助探測,與其他傳感器互補,暫無法撼動視覺攝像頭或激光雷達核心傳感器地位,如果未來毫米波雷達要在汽車自動駕駛領域得到更好的應用,還需要解決分辨率及成像等難題。

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