目前自動駕駛中雷射雷達應用還有很多瓶頸,公釐波雷達在自動駕駛中目前依然無可替代,既然如此就必須好好理解公釐波雷達的原理,因為要想利用好這些感測器,第一步就是理解,知己知彼百戰不殆,當下毛衣戰公升級,汽車銷量嚴重下滑,可謂殷鑑不遠,必須常備不懈。
1. 公釐波雷達是什麼
通常將波長為1~10公釐的電磁波稱公釐波,車載公釐波雷達工作的頻段為24ghz和77ghz,少數國家(如日本)採用60ghz頻段。車載公釐波雷達通過天線向外發射公釐波,接收目標反射訊號,經後方處理後快速準確地獲取汽車車身周圍的物理環境資訊,然後根據所探知的物體資訊進行目標追蹤和識別分類,進而結合車身動態資訊進行資料融合,最終通過(ecu)進行智慧型處理。
電磁波有幾種特性,當電磁波遇到不同介質時會發生反射、吸收、透射、衍射等現象,公釐波主要是利用電磁波的反射,通過傳送和接收電磁波的時間計算反射物體的位置,波長越長,越容易發生透射和衍射現象,而波長越短,則很容易被反射。目前主要是24hz,未來會採用77hz和79hz的,頻率越高,波長越短,反射性越好,解析度越高。
2. 車載公釐波雷達工作體制
根據輻射電磁波方式不同,公釐波雷達主要有脈衝體制以及連續波體制兩種工作體制。其中連續波又可以分為fsk(頻移鍵控)、psk(相移鍵控)、cw(恆頻連續波)、fmcw(調頻連續波)等方式。fwcw雷達是最常用的車載公釐波雷達。能同時測出多個目標的距離和速度資訊,可對目標連續跟蹤,系統敏感性高,錯誤報警率低;不易受外界電磁雜訊的干擾;測量距離遠,解析度高;所需發射功率低;成本較低;訊號處理難易程度及實時性可達到系統要求。
fmcw雷達系統主要包括收發天線、射頻前端、調製訊號源和訊號處理模組等。
fmcw調製訊號發生器經過壓控振盪器(vco)產生高頻訊號(ghz級別),一部分能量耦合輸入混頻器作為本振訊號,另一部分能量經功率放大器(pa)由發射天線以電磁波的方式向空中輻射。
電磁波在空氣中向前方傳播過程中如遇到目標則會小部分反射,反射回來的回波訊號被接收天線截獲形成電訊號。
回波訊號經低雜訊放大器(lna)放大,與本振訊號在混頻器進行混頻, 輸出乙個較低的差拍頻率(一般為mhz級別),差頻訊號含有目標和雷達之間的距離和相對速度等資訊。
然後通過帶通濾波器(bpf)放大濾波,a/d轉換,對所得到的數碼訊號作fft(快速傅氏運算),進行頻譜分析,便可以獲得目標和雷達之間的距離、相對速度及方位角等資訊。
最後經由控制電路做出危險狀況的判斷,向駕駛員發出預警,或結合環境情況對汽車做出主動干預。
把公釐波雷達安裝在汽車上,可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。公釐波雷達目前主要應用於中高階車型,隨著大眾對汽車主動安全效能的認可度增加,adas相關產品將逐漸向低端車型普及。
3. 公釐波雷達的檢測、測距、測速和角度測量
公釐波和大多數微波雷達一樣,有波束的概念,也就是發射出去的電磁波是乙個錐狀的波束,而不像雷射是一條線。這是因為這個波段的天線,主要以電磁輻射,而不是光粒子發射為主要方法。優點,可靠,因為反射面大,缺點,就是分辨力不高。
電磁波在空氣中傳播時間3*10^8m/s;判斷有沒有目標很簡單,判斷回波有沒有就行了。測距也簡單,都是基於tof原理,但是我們說電磁波的傳播速度是光速,所以這個帶來了一定的挑戰。剛才我們說公釐波雷達作用距離都不太遠,比如我們說汽車或者無人機,那麼探測距離就很近,回波和發射波間隔就非常短,所以一般並不太適合使用簡單的發射脈衝方式,所以現在主要是用fmcw方式較多。
公釐波雷達測速和普通雷達一樣,有兩種方式,乙個基於dopler原理,就是當發射的電磁波和被探測目標有相對移動、回波的頻率會和發射波的頻率不同。通過檢測這個頻率差可以測得目標相對於雷達的移動速度。但是這種方法無法探測切向速度,第二種方法就是通過跟蹤位置,進行微分得到速度。
公釐波雷達的側向,雷達對目標方位的探測主要基於一種方法,就是使用較窄的波束。因為當目標出現在波束裡,我們一般沒有辦法判斷目標具體在這個波束內部的那個方向,所以我們必須把波束做窄,當然能和雷射一樣最好,但是這個很難。那麼把波束做窄,有幾種方法,一種使用有向天線,比如喇叭天線或者透鏡天線。還有一種方法,就是使用多根天線+陣列訊號處理的方法。對於公釐波來講,由於波長很短,所以我們做很多根天線的代價就很小(這個代價指**、尺寸),所以公釐波雷達大量使用陣列天線的方式來構成窄波束,能多窄呢?比如3度,5度這樣,是汽車常用的。當然這個和雷射還不能比,但是已經很好了。
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