自動運転レーダーセンサーのアプリケーション設計スキームを 1 つの記事で理解する

センサーは自動運転車の重要なコンポーネントです。前方、後方、または側方の車両までの距離を監視する機能により、重要なデータが中央コントローラーに提供されます。光学カメラ、赤外線カメラ、レーザー、超音波、レーダーはすべて、周囲の環境、道路、その他の車両に関するデータを提供するために使用できます。たとえば、カメラを使用して道路上の標識を検出し、車両を正しい車線に保つことができます。これは、運転支援システム (ADAS) で車線逸脱警告を提供するためにすでに使用されています。今日の ADAS システムは、衝突検知警告や車両が前方車両を追跡できるアダプティブ クルーズ コントロールにもレーダーを使用しています。

ドライバーの入力がなければ、自動運転車はより多くのセンサー システムを必要とし、多くの場合、より高いレベルの保証を提供するためにさまざまなセンサーからの複数の入力を使用します。これらのセンサー システムは実績のある ADAS 実装を基にしていますが、より広範囲のセンサーとより高いデータ レートを管理するためにシステム アーキテクチャが変化しています。

レーダーの使用法

アダプティブクルーズコントロールと衝突検知のためのADASシステムの採用が増加するにつれ、24 GHzのレーダーセンサーのコストが上昇落ちています。これらは現在、自動車メーカーがヨーロッパの NCAP 安全性評価の 5 つ星を達成するための要件となっています。

たとえば、Infineon Technologies の BGT24M 24GHz レーダー センサーは、電子制御ユニット (ECU) の外部マイクロコントローラーと併用して、スロットルを変更して前方車両との接触を維持できます。図 1 に示すように、最大​​ 20 m の範囲の距離。

図 1: インフィニオン テクノロジーズの車載レーダー センシング システム。

自動車レーダー システムの多くは、パルス ドップラー方式を使用しています。この方式では、送信機がパルス繰り返し間隔 (PRI) と呼ばれる短期間動作し、その後システムが動作します。次のパルスが発射されるまで受信モードに切り替わります。レーダーが戻ってくると、反射がコヒーレントに処理されて、検出された物体の距離と相対運動が抽出されます。

もう 1 つの方法は、連続波周波数変調 (CWFM) を使用することです。これは、時間の経過とともに変化する連続的な搬送周波数を使用し、受信機は常にオンになります。送信信号が受信機に漏れるのを防ぐには、送信アンテナと受信アンテナを別々に使用する必要があります。

BGT24MTR12 は、24.0 ～ 24.25 GHz で動作する信号生成および受信用のシリコン ゲルマニウム (SiGe) センサーです。 24 GHz 基本電圧制御発振器を使用し、出力周波数 1.5 GHz と 23 kHz の切り替え可能な周波数プリスケーラーを備えています。

RC ポリフェーズ フィルター (PPF) は、ダウンコンバーティング ミキサーの LO 直交位相生成に使用され、出力パワー センサーと温度センサーはモニタリング用のデバイスに統合されています。

図 2: Infineon Technologies の BGT24MTR12 レーダー センサー。

デバイスは SPI 経由で制御され、0.18 µm SiGe:C テクノロジーで製造され、カットオフ周波数は 200 GHz で、32 ピンのリードレス VQFN パッケージで提供されます。 。

しかし、自動運転車のアー​​キテクチャは変わりつつあります。 ECU にローカルではなく、車両周囲のさまざまなレーダー システムからのデータが中央の高性能コントローラーに供給され、信号とカメラ、場合によっては LIDAR レーザー センサーからの信号が結合されます。

コントローラは、グラフィックス コントロール ユニット (GCU) を備えた高性能の汎用プロセッサ、または信号処理を専用のハードウェアで処理できるフィールド プログラマブル ゲート アレイにすることができます。これにより、より高いデータ レートとより多くのデータ ソースを処理する必要があるアナログ フロントエンド (AFE) インターフェイス デバイスがより重視されます。

使用されるレーダーセンサーの種類も変化しています。 77 GHz センサーは、より長い範囲とより高い解像度を提供します。 77 GHz または 79 GHz レーダー センサーは、他の車両を検出するなど、10 度の円弧内で最大 200 m の長距離センシングを提供するようにリアルタイムで調整できますが、最大 30 度のより広い 30 度のセンシングにも使用できます。 30 m 低域アーク。周波数が高いほど解像度が向上し、レーダー センサー システムが複数の物体をリアルタイムで区別できるようになり、たとえば 30 度の円弧内にある多くの歩行者を検出できるようになり、自動運転車のコントローラーにより多くの時間とより多くのデータが与えられます。

77 GHz センサーは、発振周波数 300 GHz のシリコン ゲルマニウム バイポーラ トランジスタを使用します。これにより、1 つのレーダー センサーを前方警報、衝突警報、自動ブレーキなどのさまざまな安全システムに使用できるようになり、77 GHz テクノロジーは車両の振動に対する耐性も高いため、フィルタリングの必要性が少なくなります。

図 3: NXP が提供する自動運転車のレーダー センサーのさまざまな使用例。

# センサーは、車両座標系 (VCS) における対象車両の距離、速度、方位角を検出するために使用されます。データの精度はレーダー センサーの位置に依存します。

レーダー センサーの調整アルゴリズムは、車両が 40 Hz を超える周波数で動作しているときに実行されます。レーダー センサー、車両速度、車両上のセンサーの位置、指向角度から提供されるデータに基づいて、ミスアライメント角度を 1 ミリ秒以内に計算する必要があります。

ソフトウェア ツールを使用して、実車の路上テストから取得した記録センサー データを分析できます。このテスト データは、生のレーダー検出とホスト車両の速度に基づいてセンサーの位置ずれ角度を計算する二乗アルゴリズムを使用するレーダー センサー位置合わせアルゴリズムを開発するために使用できます。これにより、二乗解の残差に基づいて計算された角度の精度も推定されます。

02 システム アーキテクチャ

Texas Instruments の AFE5401-Q1 (図 4) などのアナログ フロントエンドを使用して、レーダー センサーを自動車システムの残りの部分を図 1 に示します。 AFE5401 には 4 つのチャネルが含まれており、各チャネルには低ノイズ アンプ (LNA)、選択可能なイコライザー (EQ)、プログラマブル ゲイン アンプ (PGA)、およびアンチエイリアシング フィルターが含まれ、その後に高速 12 ビット アナログ - デジタル信号が続きます。チャネルごとに 25 MSPS コンバータ (ADC) を搭載。 4 つの ADC 出力は、12 ビットのパラレル CMOS 互換出力バス上で多重化されます。

図 4: Texas Instruments の AFE5401 レーダー アナログ フロントエンドの 4 つのチャネルは、複数のセンサーで使用できます。

低コスト システムの場合、Analog Devices の AD8284 は、プログラマブル ゲイン アンプと併用できる 4 チャネル差動マルチプレクサ (マルチプレクサ) を備えたアナログ フロントエンドを提供します。 - (PGA) およびアンチエイリアシング フィルター (AAF) を搭載したチャンネル低ノイズ プリアンプ (LNA)。これはまた、単一の直接 ADC チャネルを使用し、すべて単一の 12 ビット アナログ - デジタル コンバータ (ADC) と統合されています。 AD8284 には、AAF によってフィルタリングされる高周波過電圧状態を検出するための飽和検出回路も含まれています。アナログ チャネルのゲイン範囲は 17 dB ～ 35 dB で 6 dB 刻みで、ADC 変換レートは最大 60 MSPS です。チャンネル全体の総合入力基準電圧ノイズはゲインで 3.5 nV/√Hz です。

AFE の出力は、Microsemi の IGLOO2、Fusion、Intel の Cyclone IV などのプロセッサまたは FPGA に供給されます。これにより、FPGA 設計ツールを使用して 2D FFT をハードウェアに実装し、FFT を処理し、周囲のオブジェクトに関する必要なデータを提供できるようになります。これは中央コントローラーに入力できます。

FPGA にとっての重要な課題は複数のオブジェクトを検出することですが、これは CWFM アーキテクチャにとってパルス ドップラーよりも複雑です。 1 つのアプローチは、ランプの持続時間と周波数を変更し、検出された周波数がさまざまな周波数ランプの急峻さでスペクトル内をどのように移動するかを評価することです。ランプは 1 ミリ秒間隔で変化するため、1 秒あたり数百の変化を分析できます。

図 5: Intel の FPGA で使用される CWFM レーダー フロントエンド。

カメラのデータを使用して、車両からの強いエコーと人からの弱いエコー、および予想されるドップラー シフト タイプを区別できるため、他のセンサーからのデータを融合することも役立ちます。 。

もう 1 つのオプションは、CWFM を使用して高速道路上の長距離の目標を見つけるマルチモード レーダーと、市街地の歩行者を容易に検出できる短距離パルス ドップラー レーダーです。

03 結論

自動運転車用の ADAS センサー システムの開発により、レーダー システムの実装方法が変化しています。より単純な衝突回避やアダプティブクルーズコントロールから全方位検知への移行は大きな課題です。レーダーは自動車メーカーの間で広く受け入れられている非常に人気のあるセンシング技術であるため、このアプローチのための技術です。より高い周波数の 77 GHz センサーを、マルチモード CWFM およびパルス ドップラー アーキテクチャ、およびカメラなどの他のセンサーからのデータと組み合わせると、処理サブシステムに重大な課題が生じます。自動運転車の継続的な開発には、安全かつ一貫性があり、コスト効率の高い方法でこれらの課題に対処することが重要です。

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