全自動泊車使用微波雷達和超聲波雷達融合的技術(shù)

吳江淼

（同致電子科技（廈門）有限公司 福建省廈門市 361006）

當今泊車輔助技術(shù)（基于超聲波和影像的融合）演變到一個更加有效和成本效益的自動泊車系統(tǒng)，將大大受益于加入毫米雷達傳感器的融合。要領(lǐng)會從純超聲波的方案到融合毫米波雷達平臺過渡過程中所涉及到的是什么，詳看以下每種技術(shù)的基本原理介紹。

盡管有了毫米波雷達的技術(shù)融合，對于泊車的操作情景模式仍然是一樣的，即尋找停車位和泊入停車。在尋找停車位模式下，車輛將啟動搜尋模式并識別出合適的停車位。然后，在自動停入模式下，泊車系統(tǒng)將操縱車輛進入到指定的停車位。對于自動泊車的這兩種模式，把超聲波、毫米波雷達和影像一起融合可以提高障礙物目標識別的精度。為了滿足自動泊車需求，需要泊車系統(tǒng)能夠識別障礙物目標的距離、速度和角參數(shù)。所有的這些不同類型的傳感器可以在泊車周圍環(huán)境下發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，形成互補。

1 超聲波探頭探測的基本原理

超聲波探頭在汽車領(lǐng)域里面被用于檢測障礙物已有20 年。超聲波使用是人類聽力范圍外的信號頻率（＞20kHz），并且通常使用的范圍是40-70kHz。超聲波在路徑上向外發(fā)射，然后碰到物體時反射回來。通過知道信號波的傳播時間和傳播速度（聲速）就可以計算出車輛相對障礙物（例如：汽車、路沿等）的距離。這種傳感器成本低且靈活，在汽車的應(yīng)用領(lǐng)域里面，比較適用于超短距測量。如圖1 超聲波探頭的檢測和主要部件的示意圖。

當前超聲波探頭在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用有泊車輔助、引導(dǎo)和倒車告警。這些系統(tǒng)已經(jīng)從簡單地檢測障礙物且障礙物距離車輛越來越近時，系統(tǒng)將向駕駛員發(fā)出越來越急促的“嗶嗶”告警聲，到演變成駕駛員只要較少地參與車輛控制就能完成半自動泊車。典型的系統(tǒng)應(yīng)用是在汽車保桿周圍布置4-12 顆超聲波探頭，以提供車輛所需的檢測覆蓋范圍。如圖2，目前市場上車輛以超聲波雷達為主的最大化12 顆探頭的布置圖。

通常障礙物檢測的探頭布置在前保桿或后保桿所需合適的位置，例如，在保桿上布置角探頭各一個，中間探頭兩個，對于要覆蓋整個車輛的探測范圍，通常需要在車輛每側(cè)增加傳感器的布置（共12 顆傳感器）。

2 超聲波探頭的局限和挑戰(zhàn)

雖然超聲波技術(shù)對于倒車泊車輔助是一種比較成熟的方案，但是對于支持自動泊車輔助的功能，使用超聲波傳感器，將會有一些局限和挑戰(zhàn)。

隨著超聲波技術(shù)的成功，越來越多的汽車將使用這些傳感器，傳感器之間將會產(chǎn)生更多的信號，這些信號將會產(chǎn)生互相干擾，使得車輛在泊車過程中可能會造成其它的問題。并且如果兩輛汽車越近時，相互之間將會產(chǎn)生同頻干擾。幸運的是，這個問題在新一代超聲波傳感器可以通過發(fā)送信號編碼來解決。不過超聲波傳感器與毫米波雷達相比的主要缺點是，前者在30cm-7m 的短距應(yīng)用中效果最好。超出該距離的后，超聲波的信號將會衰減，超出了接收傳感器的檢測范圍能力。即使有這個探測范圍的缺點，成熟的超聲波系統(tǒng)已經(jīng)變成的一種強制車輛配套的技術(shù)。到2019 年，全世界很多地方要求新汽車需要安裝超聲波探頭系統(tǒng)用于障礙物檢測。

圖1：超聲波目標障礙物檢測示意圖和核心部件檢知器

圖2：12 顆超聲波探頭的布置示意圖

圖3：一個FMCW 雷達單發(fā)單收的簡單方框示意圖

3 毫米波雷達檢測的基本原理

毫米波雷達的FMCW 技術(shù)將更多地出現(xiàn)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。毫米波的頻帶范圍是30GHz-300GHz。毫米波傳感器能檢測出目標信息的距離、速度和角度。

圖4：FFT 變換目標障礙物峰值頻率對應(yīng)的距離測量值

汽車上應(yīng)用的頻譜為24GHz 頻帶(預(yù)計2022 年前將被淘汰)和覆蓋76-81GHz 的77GHz 頻帶。77GHz 頻帶通常地被分成兩段：76GHz-77GHz 和77GHz-81GHz。注意到頻寬（77GHz-81GHz 之間有4GHz）越高，距離分辨率就越高。此外，更高的頻率對于速度的測量也會更加準確。

對于將來的自動駕駛的應(yīng)用，77GHz 波段雷達可以提供短距（30m）和長距探測的兩種模式。如前所述，基于毫米波雷達的系統(tǒng)可用來測量目標障礙物的距離、速度和角度。這項技術(shù)可以很容易地為汽車提供360°環(huán)視的感知能力，如下將探討這三個關(guān)鍵參數(shù)是如何測量的。

4 目標障礙物的距離、相對速度和角度

從毫米波雷達傳感器到目標障礙物的距離是由稱為Chirp 發(fā)射的信號確定的。Chirp 通常是頻率逐漸增加的正弦波。它是一種頻率線性調(diào)制的連續(xù)波，即簡稱FMCW。本振生產(chǎn)一個線性調(diào)頻(Chirp信號)被發(fā)送到發(fā)射（TX）天線，當 Chirp 信號遇到一個障礙物目標時，它將被反射回來，并被接收（RX）天線接收。RX 信號和原來發(fā)射（TX）的信號經(jīng)過混頻，產(chǎn)生了一個中頻信號，該信號經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號。數(shù)字化數(shù)據(jù)通過DSP 的FFT 處理后，變換成目標距離對應(yīng)的峰值頻率（參考圖3）。

FFT 處理將目標的峰值頻率分解成實際測量的障礙物目標距離。這些峰值頻率的相位對于目標距離的微小變化是很敏感的。例如，一個目標位置的微小變化，相當于1/4 波長（77GHz 約為1mm）的改變，轉(zhuǎn)化后是一個180°的相位反轉(zhuǎn)。相位信息構(gòu)成了汽車和目標之間的速度評估的基礎(chǔ)。如圖4，毫米波雷達的測量。

解決障礙物的角度信息需要多個的接收天線，通過FFT 的計算處理得到所要的角度信息。對于自動泊車系統(tǒng)，距離、速度和角度測量是檢測一個路沿和評估路沿高度的關(guān)鍵參數(shù)。但是僅僅從超聲波傳感器很難獲得路沿高度的信息。毫米波雷達是解決這些需求的一種經(jīng)濟有效的方法。此外，毫米波雷達可以根據(jù)天線的實際，實現(xiàn)了比超聲波雷達更廣的視野（FOV）。例如，在尋找停車位模式時，毫米波雷達可探測40m 的距離。FOV 參數(shù)包含有水平和垂直測量，對于自動泊車的一個新要求是評估路沿的高度，這是必要的。

5 毫米波雷達的路沿與物體識別

毫米波雷達對于檢測汽車到一個路沿或目標障礙物的最小距離是非常有用的。甚至可以將服務(wù)于泊車雷達功能的現(xiàn)有角雷達應(yīng)用于盲點檢測（BSD）,從而減少系統(tǒng)級的傳感器數(shù)量。最后，毫米波雷達信號受惡劣天氣條件的影響較小。

當車輛駛?cè)胍粋€很緊湊的停車位時，判定車輛靠近路沿的距離是非常關(guān)鍵的。不幸的是，單個超聲波探頭由于自身物理特性檢測的限制約15cm。超聲波傳感器和障礙物目標之間的最小可探測距離來自接收器必須等待的時間，然后才能準確地檢測到反射信號，通常叫余振（RingTime）。在典型的超聲波傳感器中，信號發(fā)射和回波的接收都是通過同一個檢知器。這就是為什么接收器必須等待發(fā)射器振動衰減到低于其閾值的原因，才能接收反射回來的信號。如果把超聲波探頭的發(fā)射器和接收器單獨開來，且假設(shè)這兩個距離足夠遠，不會引起串擾的情況下，是可以消除衰減的時間問題，但是這樣就會導(dǎo)致成本增加一倍，所以大多數(shù)車輛使用的超聲波探頭都是發(fā)送和接收一體的傳感器。自動泊車設(shè)計工程師可通過設(shè)計不用添加更多的超聲波傳感器，而是考慮使用毫米雷達傳感器進行融合布置設(shè)計。

通過使用毫米波雷達的技術(shù)，除了能探測到3cm 外的路沿，這些雷達系統(tǒng)還能提供更好泊車性能和探測能力，如從雷達傳感器獲取目標障礙物的速度和角信息。

當車輛進入停車搜尋模式時，停車位上如果有地鎖開啟時，超聲波難以識別出該障礙物的特性信息，從而造成錯誤的識別車位，這時駕駛員如果也未注意到該車位的環(huán)境時，車輛開啟泊入模式時，車輛的后保桿將有可能會造成碰撞而損壞。但是如果使用毫米泊雷達時，毫米波雷達可以通過識別出目標障礙物的高度并進行特征分類，并把該車位地鎖開啟信息輸出給自動泊車系統(tǒng)，系統(tǒng)將會判定該車位是無效的車位，進而繼續(xù)進行搜尋模式，提高了尋找停車位的性能，對于車輛也起到更加安全保護的作用。

當然，超聲波和毫米波雷達之間的性能和成本的權(quán)衡是不平衡的比較。毫米波雷達傳感器提供了更好的分辨率、額外的參數(shù)測量并且只需要較少的傳感器。成本上，比超聲波傳感器昂貴很多。另一個考慮的毫米波雷達是天線的成本。不過比較有優(yōu)勢的一面是，新的封裝設(shè)計可以把天線集成在一片上（on-chip），這樣毫米波雷達傳感器的尺寸可以設(shè)計得更小。

環(huán)境因素也是毫米波雷達傳感器比超聲波傳感器更有利的因素。汽車保險桿上常見的污垢和泥土都會影響到超聲波傳感器的檢測，而對于毫米波雷達不影響。另外，毫米波雷達不需要像超聲波傳感器需要有非金屬保險切口。

6 總結(jié)

毫米波雷達的傳感器的優(yōu)點包括實現(xiàn)車輛360°的覆蓋范圍，以及精確地測量目標障礙物的距離、速度和角度。這些優(yōu)勢可以使毫米波雷達彌補了自動泊車領(lǐng)域里面超聲波和影像融合的不足之處。從2020 年開始，汽車OEMs 可利用現(xiàn)有的超聲波傳感器和攝像頭并融合毫米波雷達的技術(shù)，將能在自動泊車、盲區(qū)檢測、防撞處理上大大提高模塊的性能。隨著ADAS 市場需求越來越大，高精度感知成為新的技術(shù)亮點，毫米波雷達的應(yīng)用融合也顯得越來越重要。本研究適用于高端自動泊車雷達產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用，希望通過本研究，未來有更多的毫米波雷達融合產(chǎn)品面世，服務(wù)于人類，給用戶帶來更人性化的體驗感。