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角度/速度/距离精准掌握新毫米波雷达强化ADAS

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度27票   时间:2018年1月13日 04:34
汽车产业持续推动机器人与机器视觉的创新与技术发展,而汽车制造商也开始运用各种技术来设计新一代汽车,以满足持续成长的消费者需求。在这项趋势推动下,各式ADAS技术因而日渐普及,进一步朝提升汽车的安全性、舒适性、便利性及能源效率的方向迈进。

根据美国国家公路交通安全管理局等政府机构的统计,美国每年有三万多人、全球则有一百三十万人死于道路交通事故;而在这些事故中,有大约94%涉及了人为疏失。ADAS透过警示、刹车、监控及转向系统等功能协助驾驶人,有助于减少人为疏失。当今许多汽车配备盲点侦测与车道偏移警示、前方碰撞与后方侧向来车警示、自动紧急刹车、车道维持辅助及智能主动车距控制巡航系统等功能。这些功能都可为汽车制造商带来品牌差异化优势,同时这也是他们的获利来源,目前已有数个国家强制规定2020年所有汽车皆必须配备ADAS。

在安全意识提高、法规和原始设备制造商(OEM)安全评级等因素影响下,ADAS的需求也随之急遽成长。根据Research and Markets全球ADAS市场预测报告统计,2016年配备ADAS的汽车出货量约5,000万辆;到了2020年,这项出货量应可达到6,000万辆;另一份ADAS相关市场报告则指出,ADAS元件的出货量预期由2016年的2.18亿个增加至2025年的12亿个。典型的ADAS结合多种感测技术和先进的处理及通讯功能,借以自动化、调整并强化汽车系统,进而提升安全和驾驶品质。汽车制造商仰赖顶尖半导体供应商提供汽车电子产品,包括先进感测技术、影像/视觉技术、高效能与低功耗处理器,以及车载网路等。

ADAS元件的成熟与进步,将能推动半自动驾驶与全自动驾驶汽车的实现。图1列举国际汽车工程师协会(SAE)定义的六个自动驾驶等级。

图1 自动驾驶等级

ADAS成自动驾驶基础合适感测机制不可或缺

自动驾驶系统以多种元件为基础,例如搜集汽车周边资讯的传感器、用于通讯的积体电路(IC)、负责分析传感器资料的高效能处理器,以及用来启动和控制机械功能的微控制器(MCU)。其中,感测系统对于ADAS和自动驾驶而言至关重要,它们不但为汽车带来智能,并且能准确地感知周围的环境。ADAS的多组影像传感器逐渐成为标准配备,而雷达、雷射、超音波、红外线和光达(LiDAR)等新颖的感测技术也将进一步强化ADAS。

汽车产业偏好采用雷达传感器,其可穿透诸如塑胶、衣物及玻璃等非金属物体,且通常不受雾、雨、雪、光线昏暗或眩目等环境因素的影响。依据侦测物体的距离而定,汽车雷达系统可分为短、中及长距雷达。

超短距雷达(USRR)是常见于停车辅助系统的新兴ADAS应用。盲点侦测及车道偏移警示等驾驶辅助功能均采用短距雷达(SRR)系统。上述系统归类于SAE的Level 1,应能够透过发光二极体(LED)或方向盘振动等方式来提醒或警告驾驶者。虽然现有的SRR系统使用24~29GHz频率,但据产业专家预期,在低频输出功率法规的限制下,该频段可能会逐步淘汰。

智能主动车距控制巡航系统、自动紧急刹车等驾驶辅助功能等,则采用长距雷达(LRR)系统,其可执行简单的汽车控制动作。虽然现有LRR系统使用76~77GHz频率,但更高级的自动驾驶功能需要更远的距离与分辨力,因此前方雷达系统可能同时使用76~77GHz及77~81Ghz频段来整合LRR与新型中距雷达( MRR)两种系统。较高等级系统的雷达传感器必须能够侦测危险、测量危险的属性(距离和速度),进而分析复杂场景,并依据各项分析出来的属性(距离、速度、角度、高度)对物体进行分类。最后,传感器必须提供安全操控功能来辅助驾驶的行车安全。

因应ADAS发展趋势,德州仪器(TI)近日推出AWR1x毫米波(mmWave)传感器产品组合,有助于开发人员实现更安全、更轻松的驾驶体验。其以感测架构(图2)为基础,将射频(RF)、类比及数位控制功能整合至单芯片,运用其内建自我测试(BIST)功能,有助于汽车雷达系统开发人员达到功能安全性的规则要求;此外,各项装置皆内建可编程MCU,并透过硬体加速器或数位讯号处理器(DSP)实现雷达讯号处理能力。雷达传感器的设计可依据AWR1x的整合程度予以最佳化,进而缩小尺寸与降低功率。

图2 AWR1xx毫米波传感器原理图

物体大小/向量无遗漏新毫米波雷达精准侦测

本汽车雷达系统采用76~81Ghz频率电磁波,判断传感器视野范围内物体的距离、速度和角度。雷达系统在距离、速度及角度方面的效能由多项参数定义,关键在于分辨力和精确度。分辨力定义系统区分两项物体距离、速度或角度的能力(以三项变数中的两项相同作为前提)。举例而言,以角度分辨力来定义系统区分两辆车的能力,两者行驶速度及与雷达传感器距离都必须相同。精确度定义了单一物体的距离、速度或角度的量测精确度。若为SAE Level 2以上等级,SRR应用的雷达传感器必须具备超高精确度(50公尺)。

汽车雷达系统通常采用频率调变连续波(FMCW)技术测量远端物体的距离、角度与速度。在FMCW雷达中,线性调频的线性度定义了物体距离的量测精确度。传统毫米波传感器的实作采用以开环电压控制振荡器(VCO)为基础的线性调频生成功能,造成高线性调频的非线性现象,导致距离测量有失精确。

相形之下,AWR1x毫米波传感器产品组合也以FMCW技术为基础,其采用闭环PLL,可实现线性精确度高达0.01%的线性调频,从而改善距离精确性并带来更高的距离分辨力。线性调频的线性度可避免错误侦测和俗称「鬼影物体」的出现,即实际目标的假影或重像。

距离分辨力是RF频宽的功能之一。AWR1x传感器产品组合在单相扫描中最高支援4GHz线性调频频宽,可达到小于5公分的距离分辨力,精确度为市售毫米波解决方案的三倍。明确速度定义了区分相似速度物体的能力。若以一定的距离分辨力和最大距离为条件,则需以较高的中频(IF)频宽来提升最大速度。AWR1x产品组合的高效能雷达前端支援15MHz的IF频宽,可达到超过250公尺的最远距离及最高时速300公里的明确速度。IF频宽与相位杂讯效能的结合,使雷达传感器得以侦测大型物体附近的小型物体。

另一方面,其高效能前端内建20Ghz相位同调同步功能,可以串接多个前端,在拥挤的市区驾驶情境中达到小于1度的角度精确度,且可于高架桥底、隧道内等遮蔽物下行驶的状况中,提供更出色的仰角侦测效能。综合以上因素,为了分析高度自动化驾驶的复杂场景,未来的雷达传感器必须具备极高的精确度。AWR1x产品组合的功能可使其充分运用,以设计高精确度的传感器。

结合BIST/复合基带有效排除干扰讯号

汽车传感器制造商已着手研究多模式雷达系统,因应SAE Level 2以上等级的要求。在多模式雷达系统配置中,传感器能在单一模组中支援MRR与LRR配置,因为无需再以两个传感器模组支援各项配置,所以大幅降低了汽车制造商的成本。

对于毫米波技术供应商而言,多模式雷达系统的设计也衍生了一些要求,包括易用性、灵活的线性调频配置和监控能力等。AWR1x产品组合整合BIST引擎,可即时透过本机控制线性调频生成参数。这款引擎可透过本机数位子系统或外部主机处理器的非即时讯息功能,来支援动态线性调频配置。BIST可自动调整传感器以适应持续改变的环境条件,特别是温度和老化等因素,因此能自我校正射频参数的漂移误差,包括输出功率和增益等方面。此外,BIST引擎可持续监控RF和类比子系统的关键RF效能参数,借此提升安全性。

相较于采用真实基带(Real Baseband)架构的传统毫米波感测技术,AWR1x传感器透过新颖的复合基带(Complex Baseband)架构提升整个系统的品质和效能。由于汽车雷达传感器安装在保险杆内部,若能精准估计保险杆反射系数,即可自动记忆保险杆特征值,并于每次启动时校正。AWR1x产品组合可利用零距离振幅和保险杆反射系数相位等优势,来更准确地估计近距离物体的位置--考虑到保险杆特征值的频率较低,这是真实基带架构几乎无法达到的技术。

此外,也可以利用复合基带架构来监控影像频带,检测其他雷达的干涉,而不会导致实际物体的讯号产生分歧,还能针对侦测到的干扰进行抑制,从而实现强大的雷达传感器设计。

以CMOS技术整合SoC 尺寸/功率更为精简

随着自动驾驶技术的问世,市场对于雷达传感器在功率、尺寸、成本、距离及精确度等方面的要求也不断提高;针对SAE Level 2以上等级之自动驾驶系统,其所需的雷达传感器已远超出现有解决方案所能提供的程度。时下的高档车款多采用多芯片单雷达系统,但这些雷达系统显得过于庞大且笨重,必须经过迷你化、最佳化,才能适应未来自动驾驶市场之需求。

受惠于CMOS技术,TI得以将智慧雷达前端、MCU与DSP功能整合至单芯片(SoC)中;透过处理元件与前端一同配置的设计,减少50%的外部尺寸,可更有效率安装多个雷达系统。此外,AWR1x传感器借CMOS和同级最佳电源管理技术实现极低功率,这一点攸关了汽车产业开发节能电动车的能力:较低的功率提升了成本优势,因为设计人员如今可以选择更实惠且轻盈的外壳,亦有助于让传感器承受较高的环境温度,提升其可靠性。

再者,唯有以可靠、可量产的封装来提供解决方案,上述产品特色、功能才能为带来效益。有鉴于此,AWR1x mmWave产品组合采用十分适合汽车应用的覆晶球闸阵列装(FC-BGA)封装,以此提供可靠的电力、机械与散热效能,且不再需要辐射屏蔽和底胶(用于封装芯片底部以保护互连结构的材料),较传统封装更具成本优势。

应用车内外各种情境新毫米波雷达十足灵活

TI的AWR1x毫米波产品组合支援ADAS、车身、底盘及驾驶舱内所需的高精确度感测应用,涵盖高效能雷达前端乃致于单芯片雷达解决方案等诸多项目,可支援不同ADAS雷达传感器配置,包括USRR、SRR、MRR、LRR乃至于影像等,表1概述AWR1x产品组合各传感器的主要功能。这套产品组合尚能实现智慧传感器架构,亦即所有雷达处理作业皆在边缘进行;也可实作于卫星传感器架构,其中由雷达传感器将物体资料透过CAN-FD传送至中央处理器,以供进一步处理并进行传感器融合。
图3依据雷达散射截面(RCS)所定义的待侦测物体距离和类型,将AWR1x毫米波传感器对应至不同的ADAS、车身与底盘及驾驶舱应用。这些传感器使开发人员得以依照各自设计需求,选择合适的解决方案,因而具备独特的市场优势;高度整合和小巧尺寸,则有助于替现有应用添加功能。

图3 雷达传感器配置
(本文作者为德州仪器汽车雷达部门产品经理)



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