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汽車無人機避障毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)原理與應(yīng)用

2022-08-11 1444

汽車無人機避障毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)原理與應(yīng)用,眾所周知,雷達(dá)使用電磁波,決定了微波雷達(dá)不同于超聲波、聲納等其他方法。電磁波是交變電磁場,在自由空間傳播。電磁場的交變頻率決定了雷達(dá)的基本屬性。當(dāng)然,波長和頻率是一個等效的概念。電磁波根據(jù)頻率有幾個典型的頻帶:平時使用的無線電不到300Mhz頻段,主要是AM,F(xiàn)M廣播使用。微波頻段是通信和雷達(dá)使用的主要頻段,這是一個非常寬的頻段,有300Mhz--300GHz,毫米波是微波的一個子頻段。你可以看到的是,可見光、紅外、激光等,這些也是一種電磁波,但由于頻率的不同,它與微波頻段的特性有很大的不同。

汽車無人機避障毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)原理與應(yīng)用

所以基于可見光、紅外、或者激光的方法一般不叫雷達(dá),雖然激光的機理可能和雷達(dá)差不多。那么不同頻段的電磁波有什么主要區(qū)別呢?這是以下特征。當(dāng)電磁波在空間中傳播時,它傳播的介質(zhì)發(fā)生變化,反射就會發(fā)生、吸收、透射、衍射等現(xiàn)象。不同頻段的電磁波,這些現(xiàn)象的比例差別很大。


所以我們知道無論是雷達(dá)、主動紅外、激光雷達(dá)是基于反射的特性,不同頻率的電磁波在反射特性上有很大的差異,一方面取決于介質(zhì),即反射表面的材料。例如,金屬材料更容易反射微波,水主要吸收電磁波,所以我們很少在水下使用雷達(dá)。與此同時,這種反射.透射性和其他特性也取決于電磁波的頻率。例如,我們的廣播通??梢栽诜孔永锸盏?,但它們也可以在房子里收到,但是wifi隔幾堵墻可能很弱,紅外線和光線可能不會通過一張紙。這是因為波長越長,越容易發(fā)生透射和衍射,波長越短,就越容易反射。


一般來說,如果電磁波波長與介質(zhì)尺寸的關(guān)系大于,則容易通過和衍射,如果小于,則容易反射。當(dāng)然,這里特別是射線,因為它基本上是粒子屬性,所以它不能被視為波。我們要講的毫米波波長是1cm到1mm在此之間,波長非常短,靠近太赫茲或紅外線,但比兩者要長得多波長很難早期開發(fā),大約十年后才使用。


正如我們剛才所說,我們現(xiàn)在可以用來通信和處理的電磁波頻率越來越高,現(xiàn)在我們談?wù)撎掌?、可見光通信。毫米波雷達(dá)傳感器波段30-300GHz,頻率很高,但是這個頻段很多頻率區(qū)域的電磁波在空氣中很容易被水分子傳播、氧氣吸收,所以可以使用幾個典型的頻段,即這里列出的24、60、77、120GHz。當(dāng)然24GHz特別是,嚴(yán)格來說,他不是毫米波,因為它的波長是1cm左右。但它是開始一個被使用的?,F(xiàn)在各國都把24GHz可民用劃出,777GHz分為汽車防撞雷達(dá),24Ghz它也一開始用于汽車。


毫米波雷達(dá)傳感器不同于無線電和低頻微波,因為它的波長很短。根據(jù)剛才提到的反射特性,首先非常接近光的傳播特性,可以更好地反射較小的反射面(物體)。另外,由于頻率高,可調(diào)帶寬非常大。另外,我們稍后會說,因為波長很短,天線可以很小。但由于波長小,在空間傳播中容易被阻擋和吸收,因此其作用距離不能太遠(yuǎn)。當(dāng)然,與其他波段相比,這種距離一般為1km以內(nèi)。


毫米波雷達(dá)傳感器可以檢測測距、測速和角度,我們知道雷達(dá)是一種發(fā)射電磁波并通過檢測回波來檢測目標(biāo)是否有遠(yuǎn)近的電子裝置,主動紅外激光是一樣的。毫米波和大多數(shù)微波雷達(dá)一樣,有波束的概念,即發(fā)射的電磁波是錐形波束,而不是激光線。這是因為這個波段的天線主要是電磁輻射,而不是光粒子發(fā)射。雷達(dá)和超聲波是一樣的,這種波束導(dǎo)致了它的優(yōu)缺點。優(yōu)點,可靠,因為反射面大,缺點是分辨率不高。毫米波雷達(dá)能檢測目標(biāo)嗎?測距、速度測量和方位測量。


判斷是否有目標(biāo)很簡單,判斷是否有回波。測距也很簡單,都是基于TOF原理,但我們說電磁波的傳播速度是光速,所以這帶來了一定的挑戰(zhàn)。剛才我們說毫米波雷達(dá)太遠(yuǎn),比如我們說汽車或無人機,那么探測距離很近,回波和發(fā)射波間隔很短,所以一般不適合使用簡單的發(fā)射脈沖,所以現(xiàn)在主要使用FMCW方式較多。


毫米波雷達(dá)傳感器測速和普通雷達(dá)一樣,有兩種方法,一種是基于普通雷達(dá)dopler原理是當(dāng)發(fā)射的電磁波與被檢測目標(biāo)相對移動時、回波的頻率與發(fā)射波的頻率不同。目標(biāo)相對于雷達(dá)的移動速度可以通過檢測這個頻率差來測量。但是這種方法無法檢測到切向速度,第二種方法是通過跟蹤位置微分得到速度。


后一個是毫米波雷達(dá)的側(cè)向。雷達(dá)對目標(biāo)方向的探測主要基于一種方法,即使用較窄的波束。因為當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在波束中時,我們通常無法判斷目標(biāo)在波束中的具體方向,所以我們必須縮小波束,當(dāng)然好像激光一樣,但這很困難。所以縮小波束縮小波束的方法有幾種,一種使用方向天線,如喇叭天線或鏡頭天線。另一種方法是使用多個天線+陣列信號處理方法。對于毫米波雷達(dá)傳感器,由于波長很短,我們做很多天線的成本很?。ㄟ@個成本是指價格、尺寸),所以毫米波雷達(dá)使用陣列天線形成窄波束。它能有多窄?例如,3度和5度是汽車中常用的。當(dāng)然,這不能和激光相比,但已經(jīng)很好了。


民用毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)的一個應(yīng)用方向是汽車應(yīng)用,約199X年年,毫米波雷達(dá)被用于汽車ACC功能(自適應(yīng)巡航),也就是高速跟著前面的車跑,他慢你慢,他快你快,保持一定的距離。這取決于毫米波長超過200米的距離檢測功能,其他手段很難做到。后來發(fā)展成防撞、盲區(qū)檢測等其他功能,但該技術(shù)一直非常昂貴,直到2012年,芯片級毫米波射頻芯片才出現(xiàn),該技術(shù)的門檻降低,所有應(yīng)用程序都打開了一個窗口。


毫米波雷達(dá)一般有幾個組成部分:天線、射頻、基帶、還有可能的控制層。


我們一個接一個地說,先是天線。剛才我們說毫米波雷達(dá)波長幾毫米,因為天線尺寸和波長相同,所以毫米波雷達(dá)天線可以很小,所以可以使用多個天線形成陣列天線,達(dá)到窄波束的目的,隨著天線數(shù)量的增加,波束可以很窄。另一個因素是,由于波長很小,毫米波可以使用一個”微帶貼片天線“這就是圖片中的樣子,在圖片中,pcb板上的ground在層上鋪幾條微帶線,就可以做天線了。這種導(dǎo)致毫米波雷達(dá)的天線可以做成pcb板。和大家常見的一樣wifi和藍(lán)牙的pcb天線非常相似。當(dāng)然,由于毫米波的頻率很高,所以通常需要高頻板。


毫米波雷達(dá)傳感器的數(shù)字信號處理部分。這部分是一些算法,主要包括陣列天線波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法。這不是開始的,因為涉及的面太多了。雷達(dá)的原理很簡單,但要做好,努力就應(yīng)該在這個地方。此外,還有一些制造商的解決方案,是從射頻帶基帶集成的解決方案,我們可以預(yù)測,在不久的將來,集成程度將更高,然后是單芯片解決方案。


汽車毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)


由于毫米波雷達(dá)距離長,可靠性高,不受光線和灰塵的影響,與相機相比,距離超過150米的特點要好得多。與激光相比,大約千元的價格也大大贏了。所以它仍然是主流技術(shù)。當(dāng)然,我們剛才提到它的分辨率略低,所以與相機的融合必然是一種趨勢。當(dāng)然,激光雷達(dá)正在努力進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,希望降低價格。由于技術(shù)和價格的迅速普及,只有超過50萬輛毫米波雷達(dá),現(xiàn)在超過10萬輛汽車也慢慢開始安裝,telsa這樣ADAS也開始從汽車?yán)走_(dá)制造商那里挖掘技術(shù)總監(jiān),并于9月份開始組裝到電動汽車上??梢钥闯?,毫米波雷達(dá)在汽車中的應(yīng)用仍然是主流技術(shù)。


無人機毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)


我們常說汽車和無人機其實很像:高速移動,安全,高速,必然要求,探測距離足夠遠(yuǎn),安全性,必然要求檢測方法的魯棒性,而且受環(huán)境影響小。當(dāng)然,在某些應(yīng)用中,無人機的環(huán)境比汽車復(fù)雜一點。毫米波雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于無人機中。


它在無人機中的一個應(yīng)用,也是目前市場上大的,是植保無人機的定高應(yīng)用。我們知道gps氣壓計測量海拔,植物保護(hù)期間,無論地面和植被是否起伏,我們都希望無人機在作物上方固定高度飛行。這也被稱為模擬飛行。這個應(yīng)用程序有很多解決方案,比如超聲波、激光、紅外線、眼睛等等。但由于大多數(shù)植物保護(hù)環(huán)境很差,灰塵很大,水霧很大,超聲波和基于光學(xué)的超聲波會受到很大的干擾。


目前,基于毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)的高度計是穩(wěn)定的。首先,它可以穿透灰塵和水霧,基本上不受干擾。基于波束,而不是點反射,高度只是反映了植被葉片的高度。


無人機的第二個應(yīng)用是避障


這也是一個爭奪各種傳感器的戰(zhàn)場。但我們說毫米波雷達(dá)具有不受光影響、工作距離大、可靠等優(yōu)點,在軍用有人機、汽車、無人機等方面得到證明。當(dāng)然,雷達(dá)的分辨率確實很低。但我們說過,由于陣列天線的優(yōu)勢,這可以大大提高,3-5度的分辨率是可能的。因此,我們說毫米波雷達(dá)有很大的調(diào)整空間,如波束寬度、工作距離、價格等。我們相信毫米波雷達(dá)在無人機測高和避障方面有明顯的優(yōu)勢,但也有光學(xué)需要補充的地方。因此,我們提出了這樣一個架構(gòu),使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行360度避障和高度測量。當(dāng)然,在這種架構(gòu)下,還需要更強的飛控處理平臺和技術(shù)。