智能網(wǎng)聯(lián)汽車 課件 項目二 任務(wù)三認知超聲波雷達；項目二 任務(wù)四認知毫米波雷達

項目二智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)前言超聲波雷達是汽車最常用的一種傳感器，可以通過接收到反射后的超聲波探知周圍的障礙物情況，消除了駕駛員停車泊車、倒車和起動車輛時前、后、左、右探視帶來的麻煩，幫助駕駛員消除盲點和視線模糊缺陷，提高了行車安全性。認知超聲波雷達Annualworksummary3目錄01教學目標02教學內(nèi)容教學目標0103能解釋環(huán)境感知的應(yīng)用范圍01能描述環(huán)境感知系統(tǒng)概念和內(nèi)容02能描述環(huán)境感知系統(tǒng)組成01.通過環(huán)境感知系統(tǒng)的學習，讓學生知道技術(shù)不斷進步，激發(fā)學生不斷學習的興趣。知識目標素質(zhì)目標教學內(nèi)容02一、超聲波雷達概念超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波（機械波)，它的方向性好，反射能力強，易于獲得較集中的聲能。超聲波雷達是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，可以通過接收到反射后的超聲波探知周圍的障礙物情況，它可以消除駕駛員停車泊車、倒車和起動車輛時前、后、左、右探視帶來的麻煩，幫助駕駛員消除盲點和視線模糊缺陷，提高行車安全性。如圖2-3-1所示，圖中為四個后向超聲波雷達。超聲波雷達二、超聲波雷達類型車載超聲波雷達主要分為UPA和APA兩大類。1.UPA超聲波雷達UPA是一種短程超聲波，主要安裝在車身的前部與后部，檢測范圍為25cm～2.5m，由于檢測距離小，多普勒效應(yīng)和溫度干擾小，檢測更準確。2.APA超聲波雷達APA是一種遠程超聲波傳感器，主要用于車身側(cè)面，檢測范圍為35cm～5m，可覆蓋一個停車位。方向性強，探頭波的傳播性能優(yōu)于UPA，不易受到其他APA和UPA的干擾。當然，檢測距離越遠，檢測誤差越大。三、超聲波雷達組成超聲波雷達主要由發(fā)射傳感器、接收傳感器、控制部分與電源等組成，如圖2-3-2所示。發(fā)射傳感器由波發(fā)送器與陶瓷振子換能器組成，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動，將其轉(zhuǎn)化為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進行檢測?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)送的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。三、超聲波雷達組成超聲波傳感器中最常用壓電式超聲發(fā)生器，利用壓電晶體的共振來工作。它利用壓電晶體的共振來工作。超聲波傳感器（或超聲探頭）內(nèi)部有兩個圧電晶片和一個共振板，當對壓電晶片兩極施加電壓脈沖.且脈沖信號的頻率與壓電晶片的振蕩頻率相等，壓電晶片將產(chǎn)生共振并驅(qū)動諧振器板振動，壓電超聲發(fā)生器產(chǎn)生超聲波；如果兩個電極之間沒有施加電壓，當共振板接收到超聲波時，壓電晶片振動，機械能被轉(zhuǎn)換成電信號.此時壓電超聲發(fā)生器就成為超聲波接收器。四、超聲波雷達工作原理超聲波雷達利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，然后接收探頭接收障礙物反射的超聲波，并根據(jù)超聲波產(chǎn)生到反射接收的時差計算出與障礙物的距離，如圖2-3-3所示。四、超聲波雷達工作原理超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，發(fā)射點與障礙物表面之間的距離s可以根據(jù)計時器記錄的時間t進行計算，計算公式為：s=(t×340)/2，其工作如圖2-3-4所示。常用探頭的工作頻率有40kHz、48kHz和58kHz三種，頻率越高靈敏度越高但水平與垂直方向的探測角度就越小。目前應(yīng)用比較廣泛的是40kHz的超聲波探頭。五、超聲波雷達的主要性能指標1.工作頻率。工作頻率是指壓電晶片的共振頻率,當兩端交流電壓頻率等于晶片的諧振頻率時，雷達波的傳輸能量輸出最大，靈敏度也最高。2.工作溫度。超聲波雷達的工作溫度取決于應(yīng)用的條件，診斷型超聲波雷達功率小，工作溫度相對較低，能長期工作而不發(fā)生故障。有些應(yīng)用會產(chǎn)生大量的熱量，3.靈敏度。超聲波雷達的靈敏度與晶圓的制造有關(guān),機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。超聲波雷達在實際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮多普勒效應(yīng)、溫度影響、噪聲干擾、線性驅(qū)動干擾、機械特性等。但是，一般來說，返回數(shù)據(jù)的誤差非常小，一般最大誤差不超過±5cm。在正常情況下，基本障礙物與同一障礙物之間的距離不會波動。一般來說，超聲波雷達的最大探測距離約為2.5m～5m，最小探測距離約為25cm～35cm，超聲波雷達波會產(chǎn)生余震，如果余震期間探測距離過短，會導致盲點從而無法確定與障礙物的距離。六、超聲波雷達應(yīng)用前景超聲波的能量消耗較緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離比較遠，穿透性強，測距的方法簡單，成本低，但是它在速度很高情況下測量距離有一定的局限性，

1.超聲波雷達應(yīng)用局限性：⑴高速及遠距離測量時誤差較大當汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大。另外，超聲波散射角大，在測量較遠距離的目標時，其回波信號會比較弱，影響測量精度。⑵溫度敏感溫度在0℃時，超聲波的傳播速度為332m/s；溫度在30℃時，超聲波的傳播速度為350m/s。相同相對位置的障礙物，在不同溫度的情況下，測量的距離不同。因此，對傳感器精度要求極高的智能網(wǎng)聯(lián)汽車來說，要么選擇將超聲波雷達的測距進行保守計算；或者將溫度信息引入智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)中，提升測量精度。⑶無法精確描述障礙物位置六、超聲波雷達應(yīng)用前景超聲波雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上主要用于低速、短程的距離測量，比如停車泊車、倒車和起動車輛時。⑴倒車輔助系統(tǒng)超聲波雷達早期多用于倒車輔助系統(tǒng)，由于汽車后方為各類后視鏡的盲區(qū)，即使駕駛?cè)讼蚝笥^察，也很難觀察到車輛后方底部的情況.因此在倒車輔助系統(tǒng)中,超聲波雷達首先得到了廣泛應(yīng)用。視覺傳感器在汽車中得到了普及應(yīng)用，但其算法復雜、成本高。而超聲波雷達安裝簡單、成本低廉，適用短距離目標探測，超聲波雷達與視覺傳感器可以通過融合的方式用于倒車輔助系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供有效的目標檢測利視覺輔助，如圖2-3-5所示。超聲波雷達與視覺設(shè)備的融合一方面可以提供攝像頭范圍內(nèi)的物體識別與提示，另一方面也可以為視覺識別算法在整幅圖像中提供預選的計算區(qū)域從而有助于対算法進行優(yōu)化，降低計算時間，六、超聲波雷達應(yīng)用前景2.超聲波雷達應(yīng)用場景六、超聲波雷達應(yīng)用前景⑵自動泊車系統(tǒng)超聲波半自動泊車系統(tǒng)通常使用6-12個超聲波很達,車后部的4個短距超聲波協(xié)達負責探測倒車時車輛與障礙物之間的距離，側(cè)方的長距超聲波雷達負責探測停車位空間。在泊車過程中，通過超聲波協(xié)達傳感器返回探測距離與時間的關(guān)系，作出自動泊車策略,并將其轉(zhuǎn)換成電信號；所述的車輛策略控制系統(tǒng)接受電信號后,依據(jù)指令作出汽車的行駛?cè)缃嵌?、方向及動力支援方面的操控，當檢測的長度超過車輛泊入所需的最短長度時，則認為當前空間有車位，汽車就會持續(xù)使用超聲波傳感器檢測車輛與車位間的相對位置關(guān)系，同時檢測行駛路徑上的障礙物，自動操作轉(zhuǎn)向盤和制動器，實現(xiàn)自動泊車，如圖2-3-6所示。謝謝項目二智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)前言亳米波雷達檢測具有全天候工作的能力，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域主要用于目標識別和跟蹤。毫米波位于微波和遠紅外波重疊的波長范囲內(nèi)，根據(jù)波傳播理論，頻率越髙波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，但傳播過程中損耗越大，傳輸距離越短。因此與微波相比，毫米波具有分辨充髙、方向性好、抗干擾能能好強的特點，與紅外線相比，毫米波具有大氣衰減小、對煙霧的穿透性好和受天氣影響小等特點。認知毫米波雷達Annualworksummary4目錄01教學目標02教學內(nèi)容教學目標0103能解釋環(huán)境感知的應(yīng)用范圍01能描述環(huán)境感知系統(tǒng)概念和內(nèi)容02能描述環(huán)境感知系統(tǒng)組成01.通過環(huán)境感知系統(tǒng)的學習，讓學生知道技術(shù)不斷進步，激發(fā)學生不斷學習的興趣。知識目標素質(zhì)目標教學內(nèi)容02一、毫米波雷達概念毫米波雷達是通過發(fā)射和接收無線電波來測量車輛與車輛之間的距離、角度和相對速度的裝置。毫米波雷達是工作在毫米波波段的探測雷達。通常毫米波是指頻率在30~300GHz(波長為1~10mm)的電磁波。毫米波雷達向周圍發(fā)射電磁波，通過測定和分析反射波以計算障礙物的距離、方向和大小。毫米波雷達外觀圖如圖2-4-1所示。毫米波雷達二、毫米波雷達類型毫米波是指長度為1～10毫米的電磁波，毫米波的頻帶頻率高于射頻，低于可見光和紅外線，相應(yīng)的頻率范圍為30～300GHz。目前應(yīng)用在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域的毫米波雷達主要有3個頻段，分別是24GHz，77GHz和79GHz。不同頻段的毫米波雷達有著不同的性能，其分類如圖2-4-2所示。二、毫米波雷達類型1.根據(jù)毫米波雷達頻率⑴24GHZ毫米波雷達24GHz頻段上的雷達的檢測距離有限，主要用于5-70米的中、短程檢測。在自動駕駛系統(tǒng)中常用于感知車輛近處的障礙物，為換道決策提供感知信息，在ADAS中可用于盲點檢測、變道輔助等。⑵77GHZ毫米波雷達77GHz主要用于100-250米的中、遠程檢測，性能良好的77GHz雷達的最大檢測距離可以達到160米以上，因此常被安裝在前保險杠上，正對汽車的行駛方向。長距離雷達能夠用于實現(xiàn)緊急制動、自適應(yīng)巡航等ADAS功能，同時也能滿足自動駕駛領(lǐng)域?qū)φ系K物距離、速度和角度的測量需求。二、毫米波雷達類型1.根據(jù)毫米波雷達頻率⑶79GHZ毫米波雷達79GHZ毫米波雷達能夠?qū)崿F(xiàn)的功能與77GHZ毫米波雷達一樣，也是用于長距離的測量，頻率更高的毫米波雷達，其波長越短短，意味著分辨率越高;而分辨率越高，意味著在距離、速度和角度上的測量精度更高。GHz的毫米波雷達必然是未來的發(fā)展趨勢。二、毫米波雷達類型2.根據(jù)毫米波雷達的有效射程車載毫米波雷達可分為長距離雷達（LRR）、中距離雷達（MRR）和短距離雷達（SRR）。以ACC自適應(yīng)巡航為例，車速大于25km/h時，ACC自適應(yīng)巡航才會起作用，而當車速降低到25km/h以下時，就需要進行人工控制。當將所用雷達升級到77GHz毫米波雷達后，與24GHz雷達系統(tǒng)相比，識別率提高了3倍速度和實測值，距離精度提高3～5倍，對前車距離的監(jiān)測更為準確、快速。三、毫米波雷達組成毫米波雷達系統(tǒng)主要包括：單片微波集成電路（MMIC）芯片、天線印制電路板、收發(fā)模塊、信號處理模塊等，如圖2-4-3所示。其中，天線板上從上至下分別是10根發(fā)射天線TX1，然后是2根發(fā)射天線TX2，最后是4根接收天線RX1至RX4。因為近處的視角（FOV）比較大，大概有90度，所以需要更多天線，而遠處的視角小，大概只有20度，所以只有兩根天線。毫米波雷達各組成部分的作用如圖2-4-4所示。三、毫米波雷達組成1.天線天線是汽車臺米波雷達有效運行的關(guān)鍵設(shè)計之一，天線以高頻印刷電路板的方式設(shè)計、集成在基板。印刷電路板是毫米波雷達的硬件核心。其中，收發(fā)芯片通常使用一種特殊的半導體，如硅鍺雙極晶體管（SIGE）、CMOS（互補金屬氧化物半導體）等。硅鍺基芯片不能實現(xiàn)更高的集成度，因此，雷達系統(tǒng)通常需要多個芯片和外圍設(shè)備。基于SIGE技術(shù)的77GHz毫米波雷達系統(tǒng)可以滿足汽車的應(yīng)用需求，但它占用了大量的板空間，而且價格昂貴，使用成本較高。與硅鍺雙極晶體管相比，CMOS可以在低電壓下工作，降低了功耗，雖然CMOS在低頻區(qū)存在較大的噪聲問題,但在77-79GHz車載亳米波雷達的應(yīng)用中，這類問題并不突出?；贑MOS技術(shù)實現(xiàn)毫米波雷達的關(guān)鍵部件，大大降低了整個雷達系統(tǒng)的成本，目前在亳米波宙達領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。它使得毫米波雷達的成本降低，也使得毫米波雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用。三、毫米波雷達組成2.收發(fā)模塊射頻收發(fā)器前端是雷達系統(tǒng)的核心部件，前端主要包括波導結(jié)構(gòu)的前端、微帶結(jié)構(gòu)的前端和前端的單片集成。典型的射頻前端主要包括天線、線性VCO、放大器和平衡混頻器部分，前端混頻輸出的中頻信號通過中頻放大送至下一級的數(shù)據(jù)處理部分。3.信號數(shù)據(jù)處理模塊信號數(shù)據(jù)處理部分的基本目標是消除不必要的信號（如雜波）和干擾信號，處理經(jīng)中頻放大的混頻信號，從信號頻譜中提取目標距離、速度等信息。四、毫米波雷達工作原理車載毫米波雷達領(lǐng)域，應(yīng)用比較廣泛的是調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達（FMCW）。調(diào)頻連續(xù)波雷達既可以測距又可以測速，而且在近距離測量方面有很大優(yōu)勢。FMCW雷達是利用多普勒效應(yīng)進行障礙物的探測，它通過發(fā)射源（天線）向目標發(fā)射毫米波信號，在掃頻周期內(nèi)通過調(diào)頻發(fā)射頻率變化的連續(xù)波（常見的調(diào)頻方式有三角波、鋸齒波、編碼調(diào)制或者噪聲調(diào)頻等），遇到障礙物體后，發(fā)射的電磁波被反射，產(chǎn)生與發(fā)射信號有一定頻率差的回波，并分析發(fā)射信號頻率和反射信號頻率之間的差值，精確測量出目標相對于雷達的距離、運動速度和方位角等信息，其原理如圖2-4-5所示。四、毫米波雷達工作原理1.測距原理雷達調(diào)頻器通過天線發(fā)射毫米波信號，發(fā)射信號遇到目標后，經(jīng)目標的反射會產(chǎn)生回波信號，發(fā)射信號與回波信號相比形狀相同，時間上存在差值。以雷達發(fā)射三角波信號為例，發(fā)射信號與返回的回波信號對比如圖2-4-6所示。四、毫米波雷達工作原理1.測距原理發(fā)射信號與反射信號間的頻率差值直接取決于和目標之間的距離。距離越大，則發(fā)射信號接收的往返時間越長，并且發(fā)射頻率與接收頻率間的差值越大，如圖2-4-7所示。四、毫米波雷達工作原理2.測速原理當目標與雷達信號發(fā)射源之間存在相對運動時，發(fā)射信號與回波信號之間除存在時間差外，頻率上還會產(chǎn)生多普勒位移。例如，當前方車輛快速行駛時，車距加大，由于多普勒效應(yīng)，反射信號（ΔfD）的頻率將變小。這將導致上坡(Δf1)和下坡(Δf2)時的頻率產(chǎn)生差值。如圖2-4-8所示。四、毫米波雷達工作原理3.測量方位角原理關(guān)于被監(jiān)測目標的方位角測量問題，毫米雷達的探測原理如圖2-4-9所示，通過毫米波雷達的發(fā)射天線TX發(fā)射出毫米波后，遇到被監(jiān)測物體反射回來，通過毫米波雷達并列的接收天線RX1、RX2，通過收到同一監(jiān)測目標反射回來的毫米波的相位差，就可以計算出被監(jiān)測目標的方位角。五、毫米波雷達應(yīng)用前景毫米波雷達具有探測性能穩(wěn)定、作用距離較長、識別精度高、環(huán)境適用性好等特點。但毫米波雷達分辨力不高，對行人探測反射波較弱，無法精確識別行人、交通標示符號和信號燈，需與視覺傳感器互補使用。為了滿足不同探測距離的需要，車內(nèi)安裝了大量的短程、中程和遠程毫米波雷達。不同的毫米波雷達在車輛的前部、車身側(cè)面和后部起著不同的作用。在圖2-4-10示意圖中，兩個后向雷達分別安裝在車輛的左側(cè)和右側(cè)尾部，綠色區(qū)域為后向雷達探測范圍（0.1m-80m）；一個前向雷達安裝在前保險杠中間位置，橙色為前向雷達探測范圍（1-200m）。為了滿足不同探測距離的需要，車內(nèi)安裝了大量的短程、中程和遠程毫米波雷達。不同的毫米波雷達在車輛的前部、車身側(cè)面和后部起著不同的作用。毫米波雷達可實現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制、前向防撞報警、盲點檢測、輔助停車、輔助變道、自主巡航控制等先進的巡航控制功能。五、毫米波雷達應(yīng)用前景1.自適應(yīng)巡航（ACC）自適應(yīng)巡航是一種駕駛輔助功能，它可以按照設(shè)定的車速或距離跟隨前面的車輛，或者根據(jù)前面的車速主動控制車輛的行駛速度，最終使車輛與前面的車輛保持安全距離。其優(yōu)點是可以有效地解放駕駛員的腳，提高駕駛舒適性。在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達傳感器連續(xù)掃描車輛前方環(huán)境（如圖2-4-11所示）五、毫米波雷達應(yīng)用前景1.自適應(yīng)巡航（ACC）汽車的輪速傳感器或其他車速傳感器采集車速信號。當檢測到前車，且根據(jù)自車車速、兩車相對速度等判斷距前車距離過小時，ACC系統(tǒng)可與防抱死制動系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，適當制動并降低發(fā)動機輸出功率，使本車與前車始終保持安全距離，如圖2-4-12所示五、毫米波雷達應(yīng)用前景2.自動緊急制動（AEB）自動緊急制動是汽車的主動安全輔助裝置（如圖2-4-13所示），該系統(tǒng)使用毫米波雷達測量本車與前車或障礙物的距離，然后將測量的距離與報警距離和安全距離進行比較，當小于報警距離時系統(tǒng)會報警提示；當小于安全距離時，即使駕駛?cè)藳]有來得及踩下制動踏板，AEB系統(tǒng)也會開始制動車輛，從而確保安全駕駛。AEB往往也被認為包含了前方防撞預警功能（FCW），如圖2-4-14所示。據(jù)統(tǒng)計表明，絕大多數(shù)交通事故是由于與駛?cè)俗⒁饬Σ患性斐傻?/p>