蔡剛強(qiáng)，張創(chuàng)城

（1.廣東省智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心有限公司，廣東 廣州 510640；2.廣州汽車工程研究院，廣東 廣州 511400）

雷達(dá)早在20世紀(jì)30年代已投入使用，當(dāng)時(shí)主要被軍方用于探測(cè)飛機(jī)，自那以后，雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。得益于射頻技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的高速發(fā)展，低成本、小尺寸、高效率的雷達(dá)成為可能，如今，它們?cè)絹碓蕉嗟乇挥米飨冗M(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中的汽車?yán)走_(dá)傳感器，即毫米波雷達(dá)。

關(guān)于自動(dòng)駕駛技術(shù)路線，無論是“強(qiáng)感知和強(qiáng)智能”路線，還是“弱感知和超強(qiáng)智能”路線，毫米波雷達(dá)都是不可或缺的傳感器。自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)由多個(gè)傳感器構(gòu)成，每個(gè)傳感器都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。毫米波雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)是可直接測(cè)量徑向速度，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是很少受到環(huán)境因素影響，因此可以在復(fù)雜的光照、雨雪等天氣條件下全天候工作。

1）毫米波雷達(dá)的工作原理是：利用電磁波的傳輸和探測(cè)進(jìn)行工作，當(dāng)電磁波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射，如果這些反射波在它們的原點(diǎn)再次被接收，那意味著該障礙物在傳播方向上。

2）應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)主要有3個(gè)頻段，分別是24GHz、77GHz和79GHz，其中24GHz已基本不用于車載，當(dāng)前主流為77GHz。

3）車載雷達(dá)分為長(zhǎng)距雷達(dá)和短距雷達(dá)，長(zhǎng)距雷達(dá)可以測(cè)量遠(yuǎn)達(dá)200m以上物體，但視野很小，而短距雷達(dá)有較大的視野，但探測(cè)距離較短。長(zhǎng)距雷達(dá)主要用于前向雷達(dá)，短距雷達(dá)主要用于角雷達(dá)，如實(shí)現(xiàn)盲區(qū)檢測(cè)等功能。

由于國內(nèi)自動(dòng)駕駛起步較歐美國家晚，這也導(dǎo)致當(dāng)前低等級(jí)自動(dòng)駕駛方案供應(yīng)商主要為歐美發(fā)達(dá)國家供應(yīng)商。隨著自動(dòng)駕駛在國內(nèi)的發(fā)展，特別是高等級(jí)自動(dòng)駕駛方案的層出不窮，對(duì)傳感器的感知性能也不斷提出新的需求。過往，如低等級(jí)自動(dòng)駕駛方案，1R1V（1個(gè)前向雷達(dá)+1個(gè)前向智能攝像頭）基本由歐美供應(yīng)商，如博世、安波福、維寧爾等以系統(tǒng)層級(jí)方案進(jìn)行供貨，具體傳感器的感知性能很難直接獲取。隨著高等級(jí)自動(dòng)駕駛的發(fā)展，以系統(tǒng)層級(jí)方案供貨的方式正逐步發(fā)生變化，如域控制器和傳感器的供貨商不為同一家，為劃分清楚彼此的開發(fā)邊界，勢(shì)必需對(duì)傳感器的開發(fā)范圍及感知邊界進(jìn)行澄清，這也是開展毫米波雷達(dá)感知范圍測(cè)試的另一個(gè)原因。

經(jīng)分析，毫米波雷達(dá)工作模式主要包括近距離、中距離和遠(yuǎn)距離模式，其中視野越大，可探測(cè)的范圍越小，而且這3種模式屬于自動(dòng)切換，且自動(dòng)切換的機(jī)理受環(huán)境因素、本車車速等多種因素影響?；谏鲜霰尘?，嘗試通過配置DID，設(shè)置毫米波雷達(dá)工作調(diào)制模式為遠(yuǎn)距離模式并開展相關(guān)的測(cè)試工作，驗(yàn)證探測(cè)距離是否得到提升。

1 高等級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)感知距離需求分析

如圖1所示，基于ISO 22179，直道時(shí)（A2區(qū)域），最小感知距離需大于190m，其中減速度約0.4g，另外假定被探測(cè)目標(biāo)為車輛。

圖1 高等級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)感知距離需求

基于上述感知需求，對(duì)當(dāng)前車載傳感器的感知探測(cè)距離進(jìn)行初步分析。目前市面主流的自動(dòng)駕駛相關(guān)的傳感器包括毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、攝像頭、高精度地圖、慣導(dǎo)及激光雷達(dá)等。毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、低像素?cái)z像頭較為成熟，過往已經(jīng)在低等級(jí)自動(dòng)駕駛上有所運(yùn)用。隨著近年高等級(jí)自動(dòng)駕駛的發(fā)展，慣導(dǎo)、激光雷達(dá)等傳感器也不斷在各車型上量產(chǎn)搭載，但受限于傳感器的工作原理，當(dāng)前遠(yuǎn)距離測(cè)距的主流傳感器仍為毫米波雷達(dá)。雖然激光雷達(dá)量產(chǎn)在即，但其量產(chǎn)后的品質(zhì)情況和感知性能仍有待市場(chǎng)的進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)當(dāng)前的價(jià)格也缺乏一定的競(jìng)爭(zhēng)力。超聲波雷達(dá)感知距離一般只能達(dá)到5m多，遠(yuǎn)不足以遠(yuǎn)距離探測(cè)。另外，低像素?cái)z像頭遠(yuǎn)距離探測(cè)不僅距離不足，同時(shí)偏差較大，而高像素?cái)z像頭與激光雷達(dá)類似，有待市場(chǎng)進(jìn)一步驗(yàn)證。

當(dāng)前主流車企，除特斯拉等采用純視覺方案，基本還是搭載了毫米波雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，再輔以其它傳感器，如攝像頭、激光雷達(dá)等，所以，本文選擇毫米波雷達(dá)作為距離感知需求基本傳感器，并重點(diǎn)研究其可探測(cè)范圍。

2 毫米波雷達(dá)探測(cè)距離實(shí)測(cè)分析

鑒于對(duì)毫米波雷達(dá)工作原理的基本了解，其可探測(cè)視野為扇形，所以，第一步開展的工作主要是畫出毫米波雷達(dá)可視范圍。進(jìn)一步重點(diǎn)就其最遠(yuǎn)距離進(jìn)行分類研究測(cè)試，包括本車車速狀態(tài)和目標(biāo)車車速狀態(tài)等進(jìn)行分類測(cè)試，得出測(cè)試結(jié)果。下文將介紹為測(cè)試毫米波雷達(dá)可視范圍而采用的設(shè)備和測(cè)試方法。

2.1 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備清單見表1。

表1 測(cè)試設(shè)備清單

1）微波暗箱，主要用于仿真測(cè)試毫米波雷達(dá)探測(cè)距離和速度等，如圖2所示。

圖2 微波暗箱

2）毫米波雷達(dá)場(chǎng)地測(cè)試支架（圖3），用于安裝和支持毫米波雷達(dá)開展測(cè)試。毫米波雷達(dá)支架局部放大圖如圖4所示。

圖3 毫米波雷達(dá)支架

圖4 毫米波雷達(dá)支架局部放大圖

3）其它設(shè)備為被測(cè)車輛及卷尺等。

2.2 測(cè)試流程

2.2.1 微波暗室測(cè)試

如圖2所示，搭建仿真場(chǎng)景，包括仿真目標(biāo)RCS值、速度、角度、距離等。

1）設(shè)置仿真目標(biāo)RCS值，本次測(cè)試主要目標(biāo)物為車輛，因此RCS值設(shè)置為10dB。

2）設(shè)置仿真目標(biāo)速度值，本次測(cè)試的主要目標(biāo)分靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)再細(xì)分為對(duì)向和同向。

3）設(shè)置仿真目標(biāo)角度，鑒于前向毫米波雷達(dá)FOV（水平探測(cè)范圍）一般小于120°，本次測(cè)試仿真的角度按0～60°，間隔5°進(jìn)行仿真。

4）設(shè)置仿真目標(biāo)距離，鑒于前向毫米波雷達(dá)探測(cè)距離一般小于250m，本次測(cè)試仿真的探測(cè)距離按0～250m、間隔5m進(jìn)行仿真。例如，將目標(biāo)物設(shè)置在250m處，然后通過VN1630及電腦端觀測(cè)是否能穩(wěn)定探測(cè)到該目標(biāo)物，如果無法探測(cè)到目標(biāo)物，將仿真目標(biāo)距離減少5m，設(shè)置為245m，以此類推。

每個(gè)角度測(cè)試3遍并計(jì)算平均值，微波暗室詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 靜態(tài)測(cè)試微波暗室和場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2.2 場(chǎng)地測(cè)試

如圖3所示，搭建場(chǎng)地測(cè)試場(chǎng)景，在場(chǎng)地搭建同實(shí)車相同布置高度的毫米波雷達(dá)。

1）場(chǎng)地測(cè)試毫米波雷達(dá)方向角設(shè)置，如圖4所示，利用該設(shè)備進(jìn)行角度調(diào)制。

2）速度設(shè)置，分別測(cè)試3組速度，0km/h、10km/h和55km/h，方向角均為0°。

3）距離探測(cè)，靜態(tài)目標(biāo)測(cè)試借鑒微波暗室仿真結(jié)果，在100m位置按5m往后挪，等候1min后，觀測(cè)是否探測(cè)到靜態(tài)車輛，直至無法穩(wěn)定觀測(cè)到靜態(tài)車輛位置。動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)試以靠近毫米波雷達(dá)支架位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，目標(biāo)車輛沿著0°方向直線以10km/h和55km/h勻速行駛。通過VN1630及電腦端觀測(cè)目標(biāo)消失時(shí)的距離。每個(gè)場(chǎng)景測(cè)試3次并計(jì)算平均值，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 動(dòng)態(tài)測(cè)試微波暗室和場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 測(cè)試小結(jié)

1）靜態(tài)測(cè)試，即本車和目標(biāo)車輛車速均為0時(shí)，毫米波雷達(dá)最遠(yuǎn)可探測(cè)范圍約146m。

2）動(dòng)態(tài)分析均基于0°方向角進(jìn)行測(cè)試，包括本車靜止和運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)車靜止和運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)車正向和對(duì)向運(yùn)動(dòng)等多種情況。

本車或目標(biāo)車輛其中一個(gè)車速不為0時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)可得：①毫米波雷達(dá)可探測(cè)范圍均達(dá)不到感知需求190m；②目標(biāo)車正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，毫米波雷達(dá)可探測(cè)范圍可達(dá)到160m以上；③目標(biāo)車如靜止或?qū)ο蜻\(yùn)動(dòng)，毫米波雷達(dá)可探測(cè)范圍達(dá)到140m以上。

3 毫米波雷達(dá)探測(cè)距離提升及驗(yàn)證

經(jīng)調(diào)查和證實(shí)，毫米波雷達(dá)工作調(diào)制模式分為4種，包括：Auto mode、Near、Medium、Far。雷達(dá)默認(rèn)工作調(diào)制模式為：Auto mode，因此雷達(dá)探測(cè)的近距離、中距離和遠(yuǎn)距離模式是自動(dòng)進(jìn)行。因此設(shè)想，通過新增雷達(dá)工作調(diào)制模式配置DID，設(shè)置雷達(dá)波調(diào)制模式為遠(yuǎn)距離模式，并對(duì)毫米波雷達(dá)探測(cè)距離進(jìn)行驗(yàn)證分析。具體的驗(yàn)證步驟和測(cè)試結(jié)果如下。

場(chǎng)地測(cè)試場(chǎng)景搭建，在筆直道路通過自車和目標(biāo)車不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)毫米波雷達(dá)感知性能進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)場(chǎng)景測(cè)試3次，計(jì)算平均值，F(xiàn)ar模式場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

表4 Far模式場(chǎng)地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

場(chǎng)景1，本車靜止，目標(biāo)車正向運(yùn)動(dòng)，最遠(yuǎn)可探測(cè)距離大于190m，毫米波雷達(dá)探測(cè)距離示例如圖5所示。

圖5 本車靜止，目標(biāo)車正向運(yùn)動(dòng)，毫米波雷達(dá)探測(cè)距離示例

場(chǎng)景2，本車靜止，目標(biāo)車對(duì)向運(yùn)動(dòng)，最遠(yuǎn)可探測(cè)距離大于190m。

場(chǎng)景4，本車運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)車靜止，最遠(yuǎn)可探測(cè)距離小于140m。

場(chǎng)景5，本車運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)車正向運(yùn)動(dòng)，最遠(yuǎn)可探測(cè)距離大于190m。

場(chǎng)景6，本車運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)車負(fù)向運(yùn)動(dòng)，最遠(yuǎn)可探測(cè)距離大于190m。

4 結(jié)論

基于上述的分析和測(cè)試驗(yàn)證，可大致得出以下結(jié)論，如毫米波雷達(dá)工作模式自動(dòng)設(shè)置為Auto模式，則其可探測(cè)距離大致可分為兩檔：①如目標(biāo)車輛為正向運(yùn)動(dòng)，則其探測(cè)距離約為160m以上；②如果目標(biāo)車輛為對(duì)向運(yùn)動(dòng)或靜止，則其可探測(cè)距離約為140m。

通過將毫米波雷達(dá)的工作調(diào)制模式設(shè)置為遠(yuǎn)程模式，則目標(biāo)車輛無論是正向運(yùn)動(dòng)或?qū)ο蜻\(yùn)動(dòng)，總而言之，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的探測(cè)距離可達(dá)到190m以上。但如果被測(cè)目標(biāo)處于靜態(tài)，則毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離也僅能達(dá)到140m。

5 測(cè)試說明

本次測(cè)試說明包括以下方面。

1）被測(cè)毫米波雷達(dá)雖為主流國際供應(yīng)商提供，代表行業(yè)毫米波雷達(dá)探測(cè)距離的普遍水平，但本測(cè)試并未就市場(chǎng)上所有毫米波雷達(dá)展開測(cè)試，所以本次測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果僅代表部分毫米波雷達(dá)供應(yīng)商其產(chǎn)品的探測(cè)能力。

2）整個(gè)測(cè)試過程中，雷達(dá)采用的都是同一軟硬件型號(hào)。后續(xù)存在硬件版本相同，但軟件版本提升，從而導(dǎo)致毫米波雷達(dá)測(cè)試能力提升的可能性。

3）受測(cè)試場(chǎng)地（例如周邊環(huán)境）的影響，對(duì)探測(cè)結(jié)果也存在一定的影響。

4）雖然通過設(shè)置雷達(dá)調(diào)制模式為Far，能有效提升運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)距離，但其探測(cè)精度等也會(huì)有所下降，需要傳感器選型工作人員進(jìn)一步明確需求，包括探測(cè)距離、距離精度等。

5）本測(cè)試?yán)走_(dá)輸出的是目標(biāo)列表，即經(jīng)過聚類的數(shù)據(jù)，但實(shí)際在測(cè)試過程中，觀察原始點(diǎn)云，存在部分點(diǎn)云最遠(yuǎn)距離大于200m。

6 展望

當(dāng)前，除了特斯拉等激進(jìn)廠商采用全視覺方案而取消掉毫米波雷達(dá)，其它國內(nèi)外主流廠商依然將毫米波雷達(dá)作為其自動(dòng)駕駛探測(cè)距離的主要傳感器?；诤撩撞ɡ走_(dá)的速度探測(cè)精度和全天候工作等特點(diǎn)，未來其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域仍有一席之地，展望未來，隨著4D毫米波雷達(dá)的量產(chǎn)搭載，毫米波雷達(dá)理應(yīng)在自動(dòng)駕駛傳感器領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

但是，當(dāng)前鑒于4D毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)仍處于量產(chǎn)落地階段，后期其實(shí)際的探測(cè)效果仍有待驗(yàn)證，因此，基于目前可選擇的傳感器類型，毫米波雷達(dá)依舊是探測(cè)距離和速度最佳選擇。那么，針對(duì)于高等級(jí)自動(dòng)駕駛遠(yuǎn)距離的探測(cè)需求，通過設(shè)置DID，將毫米波雷達(dá)的工作模式固定在遠(yuǎn)距離模式是目前實(shí)現(xiàn)落地較為經(jīng)濟(jì)可行的方式之一。