Радар: путь к созданию автономных транспортных средств

Война с авариями

С момента появления первых радаров прошло уже более 75 лет, и они и сыграли важную роль в достижении союзниками победы во Второй мировой войне. Сегодня радары используются, чтобы выиграть еще одну войну – за «Нулевой травматизм» (Vision Zero), битву за ликвидацию всех дорожно-транспортных происшествий и снижение числа тяжелых травм при одновременном улучшении функциональности транспортных средств во всем мире. Применяемые сегодня автомобильные радарные устройства, которые по своим размерам теперь меньше сотовых телефонов, могут определять наличие большого объекта перед вами, позади вас или сбоку в слепой зоне. Но этого недостаточно.

На пути к созданию абсолютно безопасных и полностью автономных транспортных средств еще имеется множество значительных препятствий. Требуется разработка технологий, способных обнаруживать, распознавать и понимать все явления и объекты окружающего автомобиль мира. В поисках решения этой задачи Analog Devices Inc и Astyx сформировали уникальное партнерство, создали методику совместной работы и итеративный процесс, которые позволят вывести радарные системы на новый уровень и тем самым спасти множество жизней. ADI разрабатывает высококачественные высокочастотные микросхемы, микросхемы обработки смешанных сигналов и микросхемы для управления питанием. Asytx разрабатывает высококачественные радарные модули, предназначенные для высокоавтоматизированных и автономных систем.


ОБЗОР КОМПАНИИ ASTYX

Компания:

Astyx разрабатывает и производит электронику для авиационной и автомобильной промышленности, сферы разработки платформ автономных транспортных средств, промышленного оборудования, спутниковой связи и производителей микросхем.

Области применения:

Astyx HiRes II: автомобильный радар высокого разрешения для систем управления автономными транспортными средствами (на основе высокочастотной КМОП-микросхемы для радаров от ADI).
Drive 360: второе поколение радаров высокого разрешения для систем управления автономными транспортными средствами.

Задачи:

Создание малопотребляющего блока обработки сигналов с очень высокой скоростью передачи данных до 1 Гбит/с, предназначенного для формирования диаграммы направленности, способного работать с MIMO-системами и имеющего 64 виртуальных канала приема сигналов.

Цель:

Быть первыми на рынке с предложением технологий следующего поколения. Уменьшение размеров, снижение веса, сокращение энергопотребления и снижение цены продукции.


Основы партнерства

Радары, применяемые в современных автомобилях, имеют невысокое разрешение. Все, что они «видят» – это пятна. Они могут обнаружить нечто около автомобиля – это может быть мотоцикл или пикап – но они не могут идентифицировать объект. Благодаря увеличению разрешения с использованием современных технологий в области датчиков и программных алгоритмов радары могут распознавать различные признаки тех объектов, которые они видят, приближая нас на один шаг к созданию абсолютно безопасных и полностью автономных транспортных средств. Это была общая мечта Astyx и ADI.

«Мы увидели потребность в радарах с более высоким разрешением, чем у существующих» – сказал президент Astyx Питер Шмитц: «Высококачественные системы управления автономными транспортными средствами должны быть в состоянии отделить дорожный знак от велосипеда или от ребенка. Тогда автономное транспортное средство сможет объехать, развернуться, затормозить или ускориться для обеспечения безопасности пассажиров и пешеходов».

«Компания Astyx хотела завоевать рынок автономных транспортных средств в числе основных поставщиков» – сказал вице-президент отдела разработки систем для автономных транспортных средств и систем безопасности в ADI Крис Джейкобс: «Она разрабатывает программное обеспечение – алгоритмы, которые реализуют радарные функции. Мы смогли предоставить ей высокоинтегрированные функции и микросхемную технологию, необходимые для реализации недорогого и компактного решения для систем радиолокационной визуализации высокого разрешения».


Задачи повышения разрешения и разделения объектов

Используемые сегодня стандартные автомобильные радары имеют горизонтальное угловое разрешение от 10° до 20° в режиме широкого поля обзора. С таким уровнем разрешения невозможно различить внедорожник и мотоцикл, припаркованный рядом с ним.


Радар низкого разрешения и скрытые объекты

Figure1A
Стандартный современный радар с угловым разрешением 10-20° без функций визуализации воспримет троих пешеходов как один объект.

 

Радар с высоким разрешением обнаруживает скрытые объекты
Figure 1B
Радар с разрешением в диапазоне от 1° до 2° (увеличение разрешения в 10 раз по сравнению со стандартным радаром) и функциями визуализации может визуально отделить друг от друга трех пешеходов и локализовать их.

Ранее компания Astyx решила разработать радар для систем визуализации с акцентом на улучшение разрешения во всех измерениях. В то же время, она будет стремиться развивать свою технологию, чтобы воспользоваться преимуществами высокоуровневой интеграции и лучших в отрасли характеристик высокочастотного приемопередатчика ADI, который по своим возможностям на несколько поколений опережает то, что доступно на рынке.

«Чтобы упростить понимание, допустим, что вы собираете объект из кубиков Lego, и чем меньше эти кубики Lego, тем точнее ваш объект. Кубик Lego размером с автомобиль в информационном плане не очень полезен для системы восприятия, но кубик Lego размером с бейсбольный мяч позволит вам отобразить с помощью радара более точную картину физического мира. В этом и заключается концепция визуализации с помощью радара».

Захарий Карас, отдел маркетинга продукции, Analog Devices


Радиолокационное решение для визуализации компании Astyx

Радар более высокого разрешения для систем визуализации, созданный совместно компаниями Astyx и ADI, позволяет водителям быстрее и правильнее принимать решения. Современный радар, доступный сегодня на рынке, может сообщить вам, находится ли какое-либо транспортное средство в вашей слепой зоне или транспортное средство впереди в 200 метрах от вас.

Президент Astyx Питер Шмитц сказал: «Информация о наличии большого объекта в слепой зоне будет недостаточна для того, чтобы сообщить вам, можете ли вы самостоятельно сменить полосу движения. Вы должны знать, что это за объект, как быстро он движется, есть ли рядом с большим объектом какой-либо маленький объект, который затенен большим объектом. Радар с возможностями визуализации предоставляет вам всю эту информацию».


Два объекта, которые выглядят как один (решение задачи)

Излучаемые радаром радиосигналы отражаются от углов объекта и возвращаются назад с информацией об интенсивности, положении, скорости и угле движения объекта. Если объект меньше, чем область сбора данных (область разрешения), он не может быть локализован с высокой точностью. Или он может рассматриваться как часть ближайшего объекта.


Figure2-ABC

 

При использовании радиосигналов объекты выявляются в виде пиков. На рисунке A при угловом разрешении 10° и малом разрешении по дальности оба автомобиля воспринимаются радаром как один объект. На рисунке A при угловом разрешении 5° и несколько повышенном разрешении по дальности эти два автомобиля все еще воспринимаются как один объект. На рисунке C при угловом разрешении 1° и высоком разрешении по дальности два пика на графике сообщают о том, что впереди находятся два объекта, и в этом случае даже можно отличить легковой автомобиль от грузовика.

По мере увеличения разрешения наборов данных, повышается способность радара распознавать объекты реального мира.


Партнеры: Astyx и Analog Devices

В течение трех лет Analog Devices и Astyx вместе работали над отладкой лучшего в отрасли цифрового высокочастотного приемопередатчика.  Платформы системного уровня компании Astyx были даже продемонстрированы на выставке CES в 2017 и 2018 годах, а ее радар с возможностями визуализации – в 2019 году. Директор отдела развития линейки продуктов для автомобильных радаров в ADI Донал Маккарти сказал: «Это помогло нам выявить улучшение характеристик на системном уровне, которые, возможно, мы не могли выявить ранее. Мы работали с несколькими партнерами и заказчиками в этом направлении, но Astyx сотрудничала с нами с самого начала и сыграла очень важную роль».

Донал Маккарти добавил: «В нашей первой демонстрационной платформе, выпущенной в 2017 году, была задействована только половина приемопередатчика ADI. Он еще не был полностью интегрирован или завершен. Мы заключили контракт с компанией Astyx, чтобы она протестировала его и сказала нам, что в нем работает оптимально, что нуждается в улучшении, а также как нам его усовершенствовать». Эта первая демонстрационная платформа продемонстрировала множество возможностей в плане снижения рисков при разработке на системном уровне для заказчиков ADI. Год спустя компания Astyx предоставила первые образцы полностью интегрированных кремниевых структур, которые были интегрированы в демонстрационную платформу в каскадной конфигурации из двух микросхем, и это, вероятно, был первый в отрасли полноценно рабочий КМОП-каскад на 77 ГГц, причем это была трудная задача организации совместной работы ведущей и ведомой микросхем, а также синхронизации фазы. ADI также создала программное обеспечение для управления микросхемой – это микропрограммное обеспечение, которое выполняет калибровку и вызывает процедуры.

«Микросхема ADI была на несколько поколений впереди решений конкурентов, и, зная все входы и выходы данной микросхемы, мы решили использовать этот высокоинтегрированный ВЧ-приемопередатчик для нашей радарной платформы с возможностью визуализации следующего поколения».

Питер Шмитц, президент Astyx

Следующий большой шаг

Разрешение по вертикали

Figure3

 

Если автомобиль будет двигаться, то доступный на рынке современный радар сможет распознать его, потому что он различит сдвиг в доплеровской диаграмме частоты от статического фона (эстакады). Но если машина не будет двигаться, радар может ее не распознать и будет считать ее частью тоннеля. В таких обстоятельствах транспортное средство должно либо мчаться вперед, либо выполнять процедуру экстренного торможения перед каждой эстакадой, поскольку современный радар не сможет определить, остановился ли автомобиль под эстакадой или нет.

Радар с возможностью визуализации решает эту задачу благодаря высокому разрешению по горизонтальному углу, большому диапазону и допплеровскому эффекту, которые позволяют выявлять микросмещения в каждом измерении. В дальнейшем разрешение по вертикали также станет важным элементом радиолокационных систем визуализации, что позволит дать еще одну гарантию безопасности и повысить степень избыточности для систем автономного вождения.

Современные радары с возможностью визуализации имеют с разрешение около 1 градуса.


Как мы можем достичь разрешения менее 1°?

Это уровень разрешения, который понадобится для того, чтобы узнать, есть ли в вашей полосе движения мотоцикл на расстоянии 200 метров, и движется ли он или остановился.

В связи с этим возникают серьезные вопросы: Как разработчики радаров могут обеспечить такое вертикальное разрешение, чтобы машина могла объехать что-либо (например, препятствие на дороге) или проехать под чем-либо (например, эстакаду с низким пролетом)? Как мы сможем обнаружить и подавить помехи от радаров других машин? Как нам подготовить радар для соблюдения требований по передаче данных и требований по тепловым характеристикам как для централизованной, так и для периферийной архитектур обработки данных.

Это задачи, которые Analog Devices активно решает, стремясь внедрить технологии следующего поколения для обеспечения безопасности и надежности систем автономного вождения. Технологические партнеры, такие как Astyx, которые расширяют возможности стандартных радаров и обогащают наш опыт разработки на уровне системы и на уровне микросхемы, выводят отрасль за пределы традиционного мышления и приближают нас к будущему, в котором безопасные системы автономного вождения являются нормой.


1 + 1 = >2

Партнерство с Astyx является одним из примеров того, как ADI привлекает для совместной работы различных игроков рынка автономных транспортных средств для разработки технологий и решений, которые ведут к успеху в бизнесе.

«Мы поняли, что должны сотрудничать» – сказал Крис Джейкобс: «Компании Astyx требовалась усовершенствованная микросхема, чтобы полностью решить задачи по уменьшению размеров, улучшению характеристик и повышению эффективности радаров с высоким разрешением. Мы смогли предоставить ей инструменты, специализированную поддержку, специальное программное обеспечение и широкие возможности нашей микросхемы, и она объединила все это со своей разработкой, что позволило создать уникальное решение для рынка. Наше партнерство выходит далеко за рамки разработки этого решения. Мы совместно решаем наши общие деловые задачи. Мы вместе общаемся с нашими заказчиками. Мы вместе оказываем реальное влияние на развитие отрасли».


О компании Astyx

Основанная в 1997 году, Astyx GmbH является дочерней компанией Daimler Benz Aerospace AG, расположенной в Оттобрунне, Германия. Astyx разрабатывает и производит высокочастотную электронику для заказчиков и партнеров в таких областях, как авионика, автомобилестроение (OEM-производители и поставщики первого уровня), разработка платформ автономного вождения, промышленное оборудование, спутниковая связь и производство микросхем. Компания является поставщиком решений для систем с особыми требованиями к безопасности, и ее высокоспециализированные инженеры предоставляют передовые инновационные решения в области высокочастотных технологий.