雷达:通往自动驾驶汽车之路

对抗事故之战

距离雷达发明至今已经超过75年,在帮助盟军赢得二战胜利方面,雷达发挥了重要作用。现在,雷达被用来赢得另一场战争——零愿景,这场战争旨在消除所有交通死亡事故和严重伤害,同时在全球范围内提高移动性。如今的汽车雷达装置比手机还小,能探测您前方、后方或侧方的盲点位置是否存在大型障碍。但这还不够。

距离实现100%安全、全自动驾驶的汽车,中间还存在无数障碍。我们需要开发能够检测、识别和理解汽车周围整个世界的技术。为了迎接这一挑战,ADI公司和Astyx达成独有合作,采用协作方法和迭代过程,进一步开发雷达技术,用于挽救生命。ADI开发了高性能RF、混合信号和电源管理IC。Asytx开发了适用于高度自动化和自主系统的高性能雷达模块。


ASTYX概览

公司:

Astyx为航空电子、汽车、自主平台开发、工业应用、卫星通信和微芯片制造商开发和生产电子产品。

应用:

Astyx HiRes II:用于自动驾驶应用的高分辨率汽车雷达(由ADI的CMOS雷达MMIC提供支持)
Drive 360:用于自动驾驶应用的第二代高分辨率雷达

挑战:

创建完全支持MIMO、低功耗、波束成型、64虚拟Rx通道,数据速率高达1 Gbps的信号处理单元。

目标:

采用着眼未来的技术,率先将产品推向市场。尺寸更小、重量更轻、功耗更低、价格更实惠。


合作缘起

如今的汽车采用的雷达分辨率都不高,只能“看到”一团东西。它可以检测到汽车周围存在物体,可能是摩托车,可能是卡车,但无法确认该物体是什么。在硬件检测技术和软件算法进步的推动下,雷达的分辨率提高,能够分辨检测物体的属性,这让我们距离安全的全自动驾驶汽车又更近了一步。后者是Astyx和ADI共同的梦想。

Astyx总裁Peter Schmitz表示:“我们发现,我们需要比现在的分辨率更高的雷达数据。高性能自动驾驶应用需要能够区分街道标志、自行车和儿童。为了保证车内人员和行人的安全,自动驾驶汽车需要采取规避动作、转弯、刹车或加速。”

ADI自动交通与安全副总裁Chris Jacobs表示:“Astyx想要作为一级供应商占领自动驾驶汽车市场。它开发了实现雷达功能的软件算法。我们能够提供高度集成的功能和原始性能芯片技术,帮助它实现构建尺寸紧凑、经济高效、高分辨率雷达成像解决方案的愿景。”


分辨率问题和关于物体分离的挑战

现有的常规汽车雷达在大视场范围内提供大约10°到20°的水平角度分辨率。这种分辨率水平无法将SUV和停驻在它旁边的摩托车区分开来。


低分辨率雷达和隐藏物体

 

Figure1A
现有的非成像雷达的角度分辨率一般在10°到20°,它会将3名行人看作一个物体。

 


高分辨率成像雷达可以显示隐藏物体

 

Figure1B
成像雷达的角度分辨率为1°至2°,是非成像雷达分辨率的10倍。数据“箱”收集1°到2°分辨率的信息,帮助区分和确定3名行人的位置。

 


早在前几年竞争尚未开始之时,Astyx就开始开发成像雷达,侧重提高所有维度的分辨率。与此同时,它不断尝试改善其技术,以利用ADI高度集成、性能出色、领先于市场现有产品的RF收发器。

“简而言之,如果您用乐高积木架构一个物体,那么乐高®积木的体积越小,架构的物体就越精准。汽车大小的乐高积木对于感测系统而言没有多大用处;但是,棒球大小的乐高积木却能让您使用雷达,更准确地描绘出周围的世界。这就是成像雷达的概念。”

Zachary Karas,产品营销,Analog 公司


Astyx的成像雷达解决方案

Astyx和ADI的高分辨率成像雷达视觉系统让驾驶员能够做出更明智的决策。如今市场上的现有雷达能够告诉您您的盲点位置是否有车辆,或者前方200米处是否有车辆。

Astyx总裁Peter Schmitz表示:“如果您能够自动变道,那么告诉您盲点位置存在大障碍物就算不上有效消息。您需要知道这个物体是什么,它移动的速度有多快,大物体旁边是否有小物体被遮住了。成像雷达能够为您提供所有这些信息。”


将两个物体看作一个整体(解决这个问题)

雷达将无线电波反射到物体的各个角落,然后返回关于物体的强度、位置、速度和到达角度等信息。如果物体小于数据箱区域(分辨率区域),则无法准确定位。或者,可能被视为附近物体的一部分。


 

Figure2-ABC

 

无线电波能探测到物体的峰值。在A图中,在10°角度分辨率和较差的距离分辨率下,雷达将两辆车视为一个整体。在B图中,在5°分辨率和较好的距离分辨率下,两辆车仍然被视为一个整体。在C图中,在1°分辨率和更好的距离分辨率下,两个峰值表示前面有两个不同的物体,甚至开始指出哪个是汽车,哪个是卡车。

随着数据箱的分辨率提高,雷达识别现实世界的能力也就越强。


合作伙伴:Astyx和ADI公司

三年来,ADI公司和Astyx一直合作改进行业领先的digiMMIC RF收发器。Astyx甚至在2017和2018年CES展会上展示了自己的系统级平台,在2019年CES展会上展示了其成像雷达。ADI汽车雷达产品线总监Donal McCarthy表示:“它帮助我们识别系统级的性能改进,而这些改进是我们之前没有发现的。在这一领域,我们与多家合作伙伴和客户合作,但Astyx很早发挥作用,且至关重要。”

Donal Mccarthy表示:“我们2017年推出的首个演示平台采用了一半的ADI收发器。它还没有完全集成,也不完整。我们与Astyx签署合约,由Astyx开展测试,告诉我们哪些方面不错,哪些方面需要改进,以及如何架构和运行该平台。”对于ADI客户,首个演示平台意味着大量消除系统级风险的机遇。一年后,我们给Astyx提供了完全集成的硅芯片,这是非常早期的样品,Astyx将它集成到采用双芯片级联的演示平台上,这可能是业界首例成功的77 GHz CMOS级联,采用一个主芯片和一个从芯片,以及同步相位,这项任务非常困难。ADI还开发了驱动芯片的软件——处理高强度校准和生成例程的固件。

“ADI芯片远远领先于其他竞争产品,在了解了芯片的发展过程之后,我们决定在下一代成像雷达平台中采用高度集成的RF收发器。”

Peter Schmitz,Astyx总裁

下个关键步骤

垂直分辨率

 

Figure3

 

如果汽车正在移动,当前的雷达能够识别它,这是因为雷达的多普勒频率模式能够将汽车与静止的背景(高架桥)区分开来。如果汽车保持静止,雷达可能无法识别,且会将该汽车视为地下通道的一部分。在这种情况下,车辆遇到每个高架桥时,都必须向前滑行或紧急制动,因为目前的雷达无法确定是否有车辆在高架桥下停车。

成像雷达具有较高的水平角度和距离分辨率,且多普勒模式能够检测每个维度的微小移动,因此可以解决这个问题。未来,垂直分辨率也将成为成像雷达系统的重要组成部分,进一步保障自动系统的安全性和冗余性。

如今的成像雷达的角度分辨率约在1°左右。


未来,如何实现低于1°的分辨率?

要想知道您所在车道200米开外是否有摩托车存在,摩托车正在行驶还是停放,就需要这种水平的分辨率。

大问题: 雷达设计人员如何实现垂直分辨率,以在遇到地面(路面障碍)或地下问题(高度很低的地下通道)时提供导航?我们如何检测和减少来自对方雷达的干扰?我们如何准备雷达,以满足集中式和终端处理架构的数据传输和热需求?

这些都是ADI公司正在积极解决的挑战,力图实现下一代安全、可靠的自动驾驶技术。技术驱动型合作伙伴,例如Astyx,他们突破传统雷达的边界,灵活运用我们的系统和芯片级专业知识,推动行业超越传统思维,同时推动我们走向更安全的自主未来。


1 + 1 = >2

与Astyx的合作只是展示ADI如何采用不同方式参与自动汽车市场运营,以开发技术和解决方案,从而获得业务成功的一个示例。

Chris Jacobs表示:“我们意识到我们应该合作。Astyx需要先进的芯片技术来实现其高分辨率雷达目标:尺寸、性能和系统效率。我们能够提供其所需的工具、专业支持、定制软件和芯片的原始性能,且与其IP配合,为市场提供出色的解决方案。我们双方的合作不止限于开发解决方案,我们携手展开商业活动,一起与客户交谈。我们正在共同推动这个行业发展。”


关于Astyx

Astyx GmbH成立于1997年,是德国奥托布伦的Daimler Benz Aerospace AG的子公司。Astyx为航空电子、汽车(OEM和一级供应商)、自主平台开发、工业应用、卫星通信等领域的客户和合作伙伴,以及微芯片制造商开发和生产高频电子产品。作为安全关键型应用解决方案提供商,Astyx高度专业的工程师不断提供与高频技术相关的先进创新。