한 기사로 자율주행 레이더 센서의 응용 설계 방식 이해

센서는 무인 자동차의 핵심 구성 요소입니다. 앞, 뒤, 옆 차량과의 거리를 모니터링하는 기능은 중앙 컨트롤러에 중요한 데이터를 제공합니다. 광학 및 적외선 카메라, 레이저, 초음파 및 레이더를 모두 사용하여 주변 환경, 도로 및 기타 차량에 대한 데이터를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 카메라를 사용하여 도로의 표시를 감지하여 차량을 올바른 차선에 유지할 수 있습니다. 이는 이미 운전자 보조 시스템(ADAS)에서 차선 이탈 경고를 제공하는 데 사용되었습니다. 오늘날의 ADAS 시스템은 충돌 감지 경고와 차량이 앞차를 따라갈 수 있는 적응형 크루즈 컨트롤에도 레이더를 사용합니다.

운전자 입력이 없는 자율주행차에는 더 많은 센서 시스템이 필요하며, 종종 더 높은 수준의 보증을 제공하기 위해 다양한 센서의 다중 입력을 사용합니다. 이러한 센서 시스템은 입증된 ADAS 구현을 바탕으로 채택되고 있지만 시스템 아키텍처는 더 넓은 범위의 센서와 더 높은 데이터 속도를 관리하기 위해 변경되고 있습니다. ​

​레이더 사용

적응형 순항 제어 및 충돌 감지를 위한 ADAS 시스템의 채택이 증가함에 따라 24GHz 레이더 센서의 가격이 하락하고 있습니다. 이는 이제 자동차 제조업체가 유럽의 5성급 NCAP 안전 등급을 달성하기 위한 요구 사항이 되고 있습니다.

예를 들어 Infineon Technologies의 BGT24M 24GHz 레이더 센서는 전자 제어 장치(ECU)의 외부 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하여 최대 20 범위의 전방 차량과 일정한 거리를 유지하도록 스로틀을 수정할 수 있습니다. m, 그림 1과 같이.

그림 1: Infineon Technologies의 자동차 레이더 감지 시스템.

많은 자동차 레이더 시스템은 PRI(펄스 반복 간격)라고 하는 짧은 시간 동안 송신기가 작동한 후 다음 전송 펄스까지 시스템이 수신 모드로 전환되는 펄스 도플러 방식을 사용합니다. 레이더가 돌아오면 반사를 일관되게 처리하여 감지된 물체의 범위와 상대 동작을 추출합니다.

또 다른 방법은 CWFM(연속파 주파수 변조)을 사용하는 것입니다. 이는 시간이 지남에 따라 변하는 연속 반송파 주파수를 사용하며 수신기는 지속적으로 켜져 있습니다. 송신 신호가 수신기로 누출되는 것을 방지하려면 별도의 송신 안테나와 수신 안테나를 사용해야 합니다.

BGT24MTR12는 신호 생성 및 수신을 위한 실리콘 게르마늄(SiGe) 센서로, 24.0~24.25GHz에서 작동합니다. 이 제품은 24GHz 기본 전압 제어 발진기를 사용하며 출력 주파수가 1.5GHz 및 23kHz인 전환 가능한 주파수 프리스케일러를 포함합니다.

다운컨버팅 믹서의 LO 직교 위상 생성에는 RC PPF(다상 필터)가 사용되며, 모니터링을 위해 출력 전력 센서와 온도 센서가 장치에 통합되어 있습니다.

그림 2: Infineon Technologies의 BGT24MTR12 레이더 센서.

이 장치는 SPI를 통해 제어되고 0.18μm SiGe:C 기술을 사용하여 제작되었으며 차단 주파수는 200GHz이며 32핀 무연 VQFN 패키지로 제공됩니다.

그러나 자율주행차의 아키텍처는 변화하고 있습니다. ECU에 로컬이 아닌 차량 주변의 다양한 레이더 시스템의 데이터는 신호를 카메라 및 LiDAR 레이저 센서의 신호와 결합하는 중앙 고성능 컨트롤러에 공급됩니다.

컨트롤러는 그래픽 제어 장치(GCU)를 갖춘 고성능 범용 프로세서이거나 전용 하드웨어로 신호 처리를 처리할 수 있는 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이일 수 있습니다. 이로 인해 더 높은 데이터 속도와 더 많은 데이터 소스를 처리해야 하는 AFE(아날로그 프런트 엔드) 인터페이스 장치가 더욱 강조됩니다.

사용되는 레이더 센서의 유형도 변경되고 있습니다. 77GHz 센서는 더 긴 범위와 더 높은 해상도를 제공합니다. 77GHz 또는 79GHz 레이더 센서는 예를 들어 다른 차량을 감지하기 위해 10° 호 내에서 최대 200m의 장거리 감지를 제공하도록 실시간으로 조정될 수 있지만 최대 30°의 더 넓은 감지에도 사용할 수 있습니다. 30m 낮은 범위 호. 주파수가 높을수록 해상도가 높아져 레이더 센서 시스템이 30° 호 내의 많은 보행자를 감지하는 등 실시간으로 여러 객체를 구별할 수 있어 자율주행차 컨트롤러에게 더 많은 시간과 더 많은 데이터를 제공할 수 있습니다.

77GHz 센서는 발진 주파수가 300GHz인 실리콘 게르마늄 바이폴라 트랜지스터를 사용합니다. 이를 통해 하나의 레이더 센서를 전방 경고, 충돌 경고, 자동 제동 등 다양한 안전 시스템에 사용할 수 있으며, 77GHz 기술은 차량 진동에도 더 강해 필터링이 덜 필요합니다.

그림 3: NXP에서 제공하는 자율주행 차량의 레이더 센서에 대한 다양한 사용 사례.

센서는 차량 좌표계(VCS)에서 대상 차량의 거리, 속도 및 방위각을 감지하는 데 사용됩니다. 데이터의 정확도는 레이더 센서의 정렬에 따라 달라집니다.

레이더 센서 정렬 알고리즘은 차량이 주행하는 동안 40Hz 이상을 수행합니다. 레이더 센서가 제공하는 데이터와 차량 속도, 차량에서의 센서 위치 및 포인팅 각도를 기반으로 1밀리초 이내에 정렬 불량 각도를 계산해야 합니다.

소프트웨어 도구를 사용하여 실제 차량의 도로 테스트에서 캡처한 기록된 센서 데이터를 분석할 수 있습니다. 이 테스트 데이터는 원시 레이더 감지 및 호스트 차량 속도를 기반으로 센서 오정렬 각도를 계산하기 위해 제곱 알고리즘을 사용하는 레이더 센서 정렬 알고리즘을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 또한 제곱해의 잔차를 기반으로 계산된 각도의 정확도를 추정합니다.

02 시스템 아키텍처

그림 1과 같이 Texas Instruments의 AFE5401-Q1(그림 4)과 같은 아날로그 프런트 엔드를 사용하여 레이더 센서를 자동차 시스템의 나머지 부분에 연결할 수 있습니다. AFE5401에는 4개의 채널이 포함되어 있으며 각 채널에는 저잡음 증폭기(LNA), 선택 가능한 이퀄라이저(EQ), 프로그래밍 가능한 이득 증폭기(PGA) 및 앤티앨리어싱 필터와 고속 12비트 아날로그-디지털 신호가 포함되어 있습니다. 채널당 25MSPS 변환기(ADC). 4개의 ADC 출력은 12비트 병렬 CMOS 호환 출력 버스에서 다중화됩니다.

그림 4: Texas Instruments의 AFE5401 레이더 아날로그 프런트 엔드에 있는 4개 채널을 여러 센서에 사용할 수 있습니다.

저가형 시스템을 위해 Analog Devices의 AD8284는 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA) 및 앤티앨리어싱 필터와 함께 사용할 수 있는 4채널 차동 멀티플렉서(mux)를 갖춘 아날로그 프런트 엔드를 제공합니다. LNA(저잡음 전치 증폭기) 전원 공급(AAF). 또한 단일 12비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 통합된 단일 직접-ADC 채널을 사용합니다. AD8284에는 AAF에 의해 필터링될 고주파 과전압 조건을 감지하는 포화 감지 회로도 포함되어 있습니다. 아날로그 채널 이득 범위는 17dB ~ 35dB(6dB 단위)이며 ADC 변환 속도는 최대 60MSPS입니다. 전체 채널의 결합된 입력 기준 전압 잡음은 이득에서 3.5nV/√Hz입니다.

AFE의 출력은 Microsemi의 IGLOO2, Fusion 또는 Intel의 Cyclone IV와 같은 프로세서나 FPGA에 공급됩니다. 이를 통해 FFT를 처리하고 주변 물체에 대해 필요한 데이터를 제공하기 위해 FPGA 설계 도구를 사용하여 하드웨어에서 2D FFT를 구현할 수 있습니다. 그런 다음 중앙 컨트롤러에 공급될 수 있습니다.

FPGA의 주요 과제는 여러 물체를 감지하는 것입니다. 이는 펄스 도플러보다 CWFM 아키텍처에 더 복잡합니다. 한 가지 접근 방식은 램프의 지속 시간과 주파수를 변경하고 감지된 주파수가 다양한 주파수 램프 경사도를 사용하여 스펙트럼을 통해 어떻게 이동하는지 평가하는 것입니다. 램프는 1ms 간격으로 변경될 수 있으므로 초당 수백 개의 변경 사항을 분석할 수 있습니다.

그림 5: Intel FPGA와 함께 사용되는 CWFM 레이더 프런트 엔드.

다른 센서의 데이터 융합도 도움이 될 수 있습니다. 카메라 데이터를 사용하면 차량의 강한 에코와 사람의 약한 에코를 구별할 수 있을 뿐만 아니라 예상되는 도플러 편이 유형도 구별할 수 있습니다.

또 다른 옵션은 CWFM을 사용하여 고속도로에서 더 먼 거리의 표적을 찾는 다중 모드 레이더와 보행자가 더 쉽게 감지되는 도시 지역을 위한 단거리 펄스 도플러 레이더입니다.

03 결론

자율주행차용 ADAS 센서 시스템의 개발은 레이더 시스템의 구현 방식을 변화시키고 있습니다. 단순한 충돌 회피 또는 적응형 크루즈 컨트롤에서 전방위 감지로 전환하는 것은 중요한 과제입니다. 레이더는 자동차 제조업체 사이에서 널리 수용되는 매우 인기 있는 감지 기술이므로 이러한 접근 방식을 위한 기술입니다. 고주파수 77GHz 센서를 멀티모드 CWFM 및 펄스 도플러 아키텍처와 카메라와 같은 다른 센서의 데이터와 결합하면 처리 하위 시스템에 심각한 문제가 발생합니다. 안전하고 일관되며 비용 효율적인 방식으로 이러한 문제를 해결하는 것은 자율주행차의 지속적인 개발에 매우 ​​중요합니다.

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