谷歌無人駕駛汽車裝用的雷達傳感器

董 輝

谷歌無人駕駛汽車裝用的雷達傳感器

董 輝

敘述谷歌無人駕駛汽車用激光雷達傳感器與自動制動系統(tǒng)用車載毫米波雷達傳感器，闡述恩智浦半導體公司試制的77GHz頻段車載毫米波雷達用收發(fā)器。

無人駕駛汽車；雷達傳感器；車載毫米波雷達

1 谷歌公司無人駕駛汽車的概述

谷歌無人駕駛汽車（以下簡稱谷歌車）項目是塞巴斯蒂安-特龍（Sebastian Thrun）的智慧結(jié)晶。塞巴斯蒂安-特龍是斯坦福大學人工智能試驗室的主任，谷歌工程師，是谷歌街景地圖服務(wù)的創(chuàng)造者之一。

2005年，塞巴斯蒂安-特龍領(lǐng)導一個由斯坦福學生和教師組成的團隊，設(shè)計了斯坦利機器人汽車，該車在由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）舉辦的第2屆“挑戰(zhàn)”（Grand Challenge）大賽中奪冠。斯坦利機器人汽車在沙漠中行駛超過212.43 km （132英里），因此贏得了由五角大樓頒發(fā)的200萬美元獎金。這支由15位工程師組成的團隊繼續(xù)投身于此項目，谷歌公司另外聘請了至少12人觀察汽車行駛狀況，這些人均沒有不良駕駛記錄，薪酬15 $/h甚至更多。谷歌在此項目中使用了6輛普銳斯和1輛奧迪TT。

谷歌無人駕駛汽車已經(jīng)行駛超過32.18萬km（20萬英里）。技術(shù)人員表示：谷歌無人駕駛汽車通過攝像機、雷達傳感器和激光測距儀來“看到”其他車輛，并使用詳細的地圖來進行導航。手動駕駛車輛收集來的信息是如此巨大，必須將這些信息進行處理轉(zhuǎn)換，谷歌數(shù)據(jù)中心將這一切變成了可能。所面臨的難題是自動駕駛汽車和有人駕駛的汽車如何共處而不引起交通事故的問題。

2014年5月28日，Code Conference科技大會上，Google推出自己的新產(chǎn)品——無人駕駛汽車。和一般的汽車不同，Google無人駕駛汽車沒有轉(zhuǎn)向盤和制動盤。

無人駕駛就是將汽車技術(shù)與IT技術(shù)相結(jié)合，通過數(shù)量較多、敏感度較高的傳感器和其他相關(guān)信息采集設(shè)備，在汽車行駛過程中收集大量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)加以分析判斷并發(fā)出正確指令，引導車輛向前行進或停止。

2 無人駕駛系統(tǒng)的傳感器及激光雷達

如圖1所示，無人駕駛系統(tǒng)具有4項功能。利用傳感器與無線電搜集信息，對自車位置及周圍的物體進行特定的分析與識別，對車輛應(yīng)該如何行駛決定行動，最后是使發(fā)動機與轉(zhuǎn)向盤確實運動的機構(gòu)控制。

圖1 汽車無人駕駛的4項功能

信息搜集的關(guān)鍵技術(shù)大致包括3個方面：即傳感器技術(shù)、無線電技術(shù)以及詳細地圖的繪制。無人駕駛車輛上，裝用了特征不同的各種各樣的傳感器， 將傳感器所獲得的信息加以綜合評價，以獲得更準確信息的技術(shù)稱為多傳感器數(shù)據(jù)融合。本文將主要介紹谷歌公司所開發(fā)的第4層次無人駕駛車輛裝用的2種雷達傳感器。

2.1 谷歌車用激光雷達傳感器

谷歌車上設(shè)置了5種車外傳感器。其中2種雷達是把握周邊環(huán)境的最重要傳感器，一種是讀取周邊環(huán)境三維結(jié)構(gòu)的激光雷達，如圖2所示。

谷歌車上的激光雷達，就像特種車輛上的旋轉(zhuǎn)射燈一樣，在不停地轉(zhuǎn)動，非常顯眼。此激光雷達傳感器瞬時讀取周圍360°3D空間的狀況，并將其數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。其工作原理為［timeof-flight］（飛行時間或飛行時間技術(shù)）方式。

所謂［time-of-flight］工作方式，即在用傳感器測定距離的方向上照射激光，通過測量此激光遇到某種物體后再返回的時間，測定至某種物體距離的方法。采用激光測量的方法，可以實現(xiàn)高速、準確地測量。當然，按激光雷達種類的不同，也可以不采用紅外線，而采用其他激光。［time-of-flight］工作方式的工作原理如圖3所示。

圖2 谷歌車上的激光雷達

圖3 ［time-of-flight］的工作原理

谷歌車裝用的激光雷達，由Velodyne公司生產(chǎn)，型號為HDL-64E。這種激光雷達可以將120 m之內(nèi)的距離加以3D數(shù)據(jù)化，測定誤差小于5cm，測定周圍360°空間的狀況最快只需66 ms。

2016年初，恰逢Velodyne車企項目銷售經(jīng)理John Eggert路過北京，科技新聞車云網(wǎng)編有幸獲得了一張最新款產(chǎn)品Ultra Puck1.5內(nèi)部構(gòu)造諜照，如圖4所示。

圖4 全球首張激光雷達內(nèi)部諜照

2.2 Velodyne激光雷達HDL-64E產(chǎn)品簡介［1］

HDL-64E 激光雷達傳感器的單件如圖5所示，是專為障礙物探測和車輛船只導航而設(shè)計。它堅固耐用，擁有360°視野及高傳輸速率，理想適用于3D移動數(shù)據(jù)采集和地圖繪制應(yīng)用。其水平視野為360°，縱向視野為26.8°，5～15 Hz可選幀速率，每秒輸出130 W像素，HDL-64E可提供可靠的遠距傳感數(shù)據(jù)。

HDL-64E持有一體式設(shè)計專利，使用64個激光器，安裝牢固，穩(wěn)定可靠。其主要參數(shù)見表1。

圖5 HDL-64E 激光雷達傳感器的單件

表1 HDL-64E的主要參數(shù)

激光雷達的優(yōu)點：可以快速準確地把握周圍的3D空間；在狀態(tài)合適的場合下，激光雷達還可以讀取道路上設(shè)置的白線。這是因為：道路上所設(shè)置的白線都是用具有較高反射率的涂料涂裝而成，激光雷達的3D數(shù)據(jù)中，可能包含有白線與路面反射率的差別。

谷歌車將激光雷達所讀取的周圍3D數(shù)據(jù)（含道路的白線信息）與早已掌握的地圖信息相重疊，決定出自車沿地圖上的哪條路行駛。因此，如果更改了白線或者因降雪掩蓋了白線，以及風沙影響難以看清白線的場合下，谷歌車將難以決定自車的行駛路線，這是谷歌車的弱點。晴天時，激光雷達可以非常有效地發(fā)揮出其車輛眼睛的作用。

激光雷達與雷達最基本的不同在于電磁波的波長。與雷達相比，激光雷達采用的是波長更短的電磁波，作為其代表性的有紫外線、可視光學與近紅外線。

3 自動制動系統(tǒng)用車載毫米波雷達傳感器

目前上市的很多種車型，為了對撞車防患于未然，都裝用了自動制動系統(tǒng)用車載毫米波雷達傳感器。雷達所能檢測出來的項目為到對象物的距離與相當速度。谷歌車上裝用了激光雷達，因此有人認為：是否可以不需要車載毫米波雷達傳感器了。對此，Udacity的Thrun先生的解釋是：因為激光雷達與車載毫米波雷達的特性不同，所以還是須要裝用車載毫米波雷達的。例如，激光雷達采用的是紅外線激光，其波長短至900 nm，有時受到霧、雨等的影響，將看不清前方。但車載毫米波雷達的波長為數(shù)毫米，可以看到霧的前方。

此外，激光雷達與車載毫米波雷達可能測定的距離也不同，激光雷達采用了即便照射到了周圍人的眼睛，但強度不會對人產(chǎn)生影響的激光，所以最遠只能檢測到前方120 m處，而車載毫米波雷達可能檢測到前方250 m處。而更重要的理由是：車載毫米波雷達利用多普勒效應(yīng)，可以檢測出對象物的相對速度；還可以檢測出早期的動態(tài)物體。

4 77 GHz頻段車載毫米波雷達用收發(fā)器

2015年12月，恩智浦半導體公司（N X P Semiconductors、以下簡稱NXP）發(fā)布消息稱：公司開發(fā)了汽車先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance Systems 簡稱ADAS）及無人駕駛技術(shù)傳感器77 GHz頻段車載毫米波雷達用收發(fā)器。在一塊芯片上集成了發(fā)送電路與接收回路，其外形封裝尺寸非常小，達到了7.5 mm2，如圖6所示。

NXP 已將達到實用水平的77 GHz頻段車載毫米波雷達用收發(fā)器樣機送交其主要的客戶。對谷歌的無人駕駛項目也將進行實車試驗。

圖6 NXP生產(chǎn)的77 GHz頻段車載毫米波雷達用收發(fā)器

77 GHz頻段車載毫米波雷達是主要用于檢測前方是否存在車輛的ADAS傳感器。此前，77 GHz頻段毫米波雷達的收發(fā)器主要用GaAs基片的分立半導體器件構(gòu)成，因而毫米波雷達部件的體積較大、價格也高。此后，有人提出了采用SiGe（硅鍺）工藝的方案，由此可以制得小型、低價的收發(fā)器，77 GHz頻段毫米波雷達價格的下降，使得其運用車型進一步增加。當前，SiGe工藝的收發(fā)器是由英飛凌公司與NXP的合資公司飛思卡爾（Freescale Semiconductor）對外供貨的。

此次NXP發(fā)布的采用CMOS工藝的收發(fā)器，可以使77 GHz頻段毫米波雷達進一步縮小體積，進一步降低價格。安裝在散熱器部位的毫米波雷達總成進一步小型化后，就可以作為檢測車輛側(cè)方的傳感器使用。這樣一來，就有可能利用毫米波雷達檢測車輛的整個周圍，與SiGe工藝收發(fā)器相比，其所消耗的電力可以減輕40 % 。

目前意法半導體除了將生產(chǎn)77 GHz頻段車載毫米波雷達用收發(fā)器IC之外，在先前生產(chǎn)24 GHz頻段產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，還將對應(yīng)77 GHz頻段的3個晶體管與4個收發(fā)器集成在1塊芯片上。

［1］Velodyne激光雷達HDL-64E［EB/OL］.http：//www. instrument.com.cn/ netshow/SH101451/ C201596.htm.

（編輯 心 翔）

Discussion of Radar Detector on Google Driverless Car

DONG Hui

This article introduces the laser radar detector for Google driverless car and millimeter-wave radar detector on automatic braking system. The 77GHz automobile millimeter-wave radar transceiver produced by NXP Semiconductors is also demonstrated.

driverless car; radar detector; automobile millimeter-wave radar

U463.675

A

1003-8639（2017）06-0017-03

2016-08-08；

2016-09-01

董輝，男，高級工程師，研究方向為汽車電氣的發(fā)展現(xiàn)狀與動向，曾著有《汽車用傳感器》一書。