車載毫米波雷達BSD功能系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計

【摘 要】毫米波雷達BSD系統(tǒng)是一種將雙角雷達置于車身2個尾角進行盲區(qū)監(jiān)測和目標感知的高級輔助駕駛方案，是一種低成本的自動泊車以及變道輔助方案。本文設(shè)計一種BSD控制策略，在實車道路測試中得到可靠的驗證，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計基于CAN總線對此雷達BSD系統(tǒng)進行整車通信和交互設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】毫米波雷達;自動泊車;BSD;CAN通信

中圖分類號：U463.675 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0026-03

Application and Design of BSD Functional System for Vehicle Mounted Millimeter Wave Radar

WEI Qiuyang，LIN Hu，CHEN Lijun，ZHU Feng

（China Automotive Innovation Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）

【Abstract】The millimeter wave radar BSD system introduced in this article is an advanced assisted driving solution that places dual angle radars at the two rear corners of the vehicle for blind spot monitoring and target perception. It is a low-cost automatic parking and lane changing assistance solution. A BSD control strategy is designed，which has been reliably verified in actual vehicle road tests. The network communication design is based on CAN bus for vehicle communication and interaction design of this radar BSD system.

【Key words】millimeter wave radar;automatic parking;BSD;CAN communication

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，高階輔助駕駛功能逐漸完善和普及，有無高級駕駛輔助系統(tǒng)ADAS和自動泊車功能決定著高低端車型劃分。而毫米波雷達作為一款低成本、適應(yīng)性高的傳感器，用于盲點監(jiān)測系統(tǒng)BSD開發(fā)具有無可替代的優(yōu)勢，在自動泊車、盲區(qū)監(jiān)測、變道輔助上帶給駕駛員更好、更安全的用車體驗，避免了不必要的交通事故、人員傷亡和經(jīng)濟損失，已經(jīng)成為ADAS必不可少的選擇。

1 應(yīng)用場景

1.1 自動泊車

車后部搭載2顆毫米波雷達對盲區(qū)探測，融合攝像頭數(shù)據(jù)做自動泊車規(guī)劃設(shè)計，實現(xiàn)完全脫離駕駛員干預(yù)的自動泊車功能，打造高階輔助駕駛功能。

1.2 盲區(qū)監(jiān)視和變道輔助

如圖1所示場景，通過2顆毫米波雷達實時監(jiān)視駕駛員視野盲區(qū)，并在規(guī)定盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)其他道路使用者時發(fā)出警告;在車輛變道過程中，檢測車輛側(cè)方或者后方出現(xiàn)可能發(fā)生碰撞危險的信號[1]時及時發(fā)出報警，避免不必要的事故。

2 設(shè)計要求

BSD功能毫米波雷達布置在車輛后部2個角上，并且采用主從式設(shè)計，其中一顆雷達集成控制器與整車通信，另一顆雷達僅與主雷達通過私有CAN進行通信，如圖2所示。毫米波雷達傳感器在搭載整車時，需要考慮電磁兼容性與DV環(huán)境試驗以及滿足相應(yīng)的功能安全、信息安全等級認證，選用車規(guī)級器件設(shè)計。軟件實現(xiàn)采用AUTOSAR軟件架構(gòu)進行開發(fā)，確保軟件可靠性，要具備OTA升級功能為后續(xù)APP升級預(yù)留空間。設(shè)計時，需要考慮維修拆卸方便、雷達安裝角度和穩(wěn)固性、運行噪聲、使用壽命和最壞情況分析，盡可能減少故障?？紤]到監(jiān)控處理對實時性要求比較高，需要采用CAN FD進行設(shè)計，滿足高標準的ADAS使用要求。

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 天線布陣及PCB工藝

采用77GHz先進CMOS工藝，可提供高達4GHz的寬掃頻帶寬，顯著提高距離分辨率和精度。對于相同的天線視場和增益，77GHz天線陣列[2]尺寸在X和Y維度上減小約3倍，易于安裝，較高的射頻頻率可以在相同尺寸天線和傳感器上提供更窄的波束，從而減少干擾，圖3為3TX/4RX天線設(shè)計陣列。CMOS工藝整體造價下降40%，集成度更高，RF芯片的占比下降，降低雷達模塊設(shè)計復(fù)雜度，加速開發(fā)周期。

天線、射頻、基帶和控制處理決定著毫米波雷達性能好壞，前端射頻芯片主要負責(zé)毫米波信號的調(diào)制、發(fā)射、接收和回波信號的解調(diào)，天線高頻PCB板需要在較小的集成空間保持足夠的信號強度，難度較高，目前由少數(shù)國外公司掌握該項技術(shù)。

3.2 硬件設(shè)計

雷達硬件架構(gòu)如圖4所示。負責(zé)中央控制的芯片是國產(chǎn)雷達專用MCU，對標NXP系列芯片，具有3個核C0、C1、C2。C0主核帶鎖步功能，250MHz，C1、C2是2個輔核，500MHz，4路SPI，2路SAR ADC，3路CAN FD，2路MIPI CSI-2，2.5M Code RAM，3M Data RAM。工作溫度范圍為-40～+150℃，符合AEC-Q100要求，滿足ISO 26262 ASIL D等級認證。負責(zé)CAN網(wǎng)絡(luò)通信芯片選型是NXP的TJA1043、TJA1042，作為高速傳輸（最大支持5Mbit/s）并且有Standby、Sleep模式，完全滿足ISO 11898-2：2003，ISO11898-5：2007標準和通過AEC-Q100認證。選用100M帶寬以太網(wǎng)用來做數(shù)據(jù)采集分析。電源管理芯片F(xiàn)S8430滿足ASIL B等級，具有獨立的安全監(jiān)控單元[3]，可達最大60V直流輸入電壓，待機關(guān)閉模式下，睡眠電流低至10μA，整體工作功率可以控制在3W左右。MMIC射頻芯片為自研產(chǎn)品，性能幾乎與TEF8102相當(dāng)。主控芯片強大的處理能力和豐富的資源可以滿足雷達點云和航跡數(shù)據(jù)實時輸出，ADAS預(yù)警功能都可以達到ms級別，提高了設(shè)備在各種復(fù)雜路況以及極端天氣或者高速行駛等場合的適應(yīng)性。

3.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用第三方公司基礎(chǔ)軟件工具開發(fā)生成符合AUTOSAR架構(gòu)的BSW、MCAL相應(yīng)代碼，根據(jù)整車客戶要求編寫APP層，包括BSD功能[4-5]，并且后期可以進行OTA升級。

3.3.1 軟件標定設(shè)計

軟件設(shè)計時還需要充分考慮標定功能[6]，雷達在車輛的安裝位置也直接影響到盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。分為下線標定和在線標定環(huán)節(jié)，前期將雷達放置在固定車身支架上，進行角度和高度標定。

1）RR：右后安裝，Y=1m，Pitch=±1°，Yaw=45°，Height=460mm。

2）LR：左后安裝，Y=-1m，Pitch=±1°，Yaw=45°，Height=460mm。

應(yīng)確保雷達安裝角度在誤差允許范圍±1°內(nèi)，否則應(yīng)進行在線標定以消除雷達角度誤差，確保雷達工作在最佳狀態(tài)。需要滿足以下條件：①免調(diào)整范圍±4°方位;②以特定速度直線行駛60～110km/h;③護欄策略基于檢測的連續(xù)直線靜態(tài)目標;④計算所得護欄與行車方向的夾角用于校準下線標定誤差。

3.3.2 BSD控制設(shè)計

1）前置條件：①本功能適應(yīng)本車車速范圍大于15km/h;②盲區(qū)檢測系統(tǒng)功能開啟，在非P非R擋位，系統(tǒng)啟動，車速大于15km/h時，系統(tǒng)激活;③目標車輛滿足告警條件開始到發(fā)出告警的系統(tǒng)響應(yīng)時間小于300ms。

2）功能指標：①BSD檢測范圍如圖5所示;②域?qū)挒?.5m;③車尾處3.5m+車速×擴展系數(shù)，擴展系數(shù)初始定義為0.05;④藍色區(qū)域為報警檢測區(qū)域，進入該區(qū)域才報警，否則不予處理;⑤報警及分級，目標物進入BSD報警區(qū)域，且未打轉(zhuǎn)向燈時，系統(tǒng)進行一級報警，否則進行二級報警;⑥誤報及漏報指標，報警準確率≥98.9%，綜合工況（2500km）20%城市道路，40%一般道路，30%高速道路，10%山區(qū)道路。

3）軟件流程：前置檢查設(shè)計流程如圖6所示，告警決策設(shè)計流程如圖7所示。

3.3.3 CAN通信設(shè)計

ADAS功能一個比較重要的方面是在本身控制決策方法設(shè)計的好壞，另一個比較重要的方面是CAN通信設(shè)計，要能及時上報告警避免不必要的事故。車速、擋位、雷達狀態(tài)以及告警信息等都需要結(jié)合整車CAN通信[7]來設(shè)計雷達傳感器CAN網(wǎng)絡(luò)。表1為雷達CAN ID分配情況，表2為CAN ID信息狀態(tài)。

通過消息Radar_Cfg（0x100）配置前向/角向雷達傳感器參數(shù)，參數(shù)可以單獨更改，也可以一次同時更改多個。對于每個參數(shù)，消息包含一個有效位。如果有效位設(shè)置為valid（0x1），則在前向/角向中更新相應(yīng)的參數(shù)，否則將忽略本次參數(shù)配置。

Radar_State（0x200）消息由傳感器定期（每秒一次）輸出。對雷達配置參數(shù)進行配置后，可以通過檢查隨后的0x200消息中的相應(yīng)信號，以確認雷達已接受配置更改并生效。

消息Point_Status（0x300）包含Point目標列表頭信息，作為Point目標列表輸出的第1條消息，并且Point模式下每個雷達測量周期僅輸出一次。

目標一般信息（0x400）包含Point目標的位置、速度和角度等信息，并針對所有檢測到的Point目標周期性輸出（先近后遠）。如果超過256個Point目標，則只輸出前256個Point目標。約9ms可以發(fā)送完256個目標。

消息Object_Status（0x600）包含Object目標列表頭信息，作為Object目標列表輸出的第1條消息，并且Object模式下每個雷達測量周期僅輸出一次。

目標一般信息（0x700）包含Object目標的位置、速度信息，并針對所有跟蹤的Object目標周期性輸出。

4 結(jié)束語

毫米波雷達具有高穿透、全天候、環(huán)境適應(yīng)性強的特點，在汽車領(lǐng)域已經(jīng)獲得了不可替代的地位，未來市場占有率逐步提高，復(fù)合增速穩(wěn)步增加。在ADAS系統(tǒng)中，雷達仍然是主要傳感器。但由于國際上長期存在芯片封鎖、開發(fā)難度高和工藝要求高等局限性，國產(chǎn)雷達還需努力。本文所涉及技術(shù)都是自主開發(fā)，為國產(chǎn)化替代方案，確保后期穩(wěn)定供貨，為“中國芯”貢獻一份力量。

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（編輯 楊凱麟）

作者簡介魏秋洋（1990—），男，高級工程師，碩士，主要從事汽車電子系統(tǒng)開發(fā)工作。