CN107783116A - 无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统 - Google Patents

Abstract

无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，属于雷达领域，以实现无人驾驶汽车复杂环境防撞，技术要点是：包括天线分系统、射频分系统、信号调理分系统、信号处理分系统；所述信号处理分系统，使信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到AD采集通道中，并进行信号处理且输出。

Description

无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统

技术领域

本发明属于雷达领域，涉及一种无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统。

背景技术

近年来，随着经济的发展，交通需求日益增加，城市交通拥堵、交通事故频发等成为当前世界各国面临的共同问题。对公路交通事故的分析显示，在司机、汽车、道路三个环节中，司机是可靠性最薄弱的环节，因此近几年来，替代司机驾驶的无人驾驶汽车孕育而生，自动驾驶汽车又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。

为提高自动驾驶汽车行驶的安全性，自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。因此自动驾驶汽车需要判断汽车行驶状况，对车辆的安全性进行预测，自动采取措施防止交通事故的发生，减小事故发生概率的系统，如车道偏离系统、前向车辆碰撞警告系统、前向避障辅助系统、驾驶员注意力监测等。其中，汽车防撞雷达是自动驾驶汽车最主要的传感器之一。主要是由于汽车防撞雷达是一种主动安全设备，可以准确的测量出周围目标的速度和距离，以及目标所在的方位角等信息，可以准确的发现无人驾驶汽车在行驶过程中的潜在危险，并且根据雷达检测到的障碍物信息，自动采取措施消除危险。

目前应用到汽车上的测距方法主要有激光测距，超声波测距，红外线测距，毫米波雷达测距等几种方法。红外、摄像头等光学技术价格低廉且技术简单，但是全天候工作效果不好，防撞性能有限；超声波受天气状态影响大，探测距离较短。而毫米波雷达克服了上述几种探测方式的缺点，具有稳定的探测性能和良好环境适用性。它不仅具有频率高、波长短、频带宽、体积小、重量轻等特点，而且与上述几种传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，抗干扰能力强，不受光线影响，探测距离远，具有全天候全天时等特点。成本也有所下降，并且雷达的外型尺寸可以做得很小，便于在汽车上安装，故作为目前国内外自动驾驶汽车防撞雷达的普遍选择方式。

综上所述：无论从安全角度还是经济角度而言，自动驾驶汽车防撞雷达的研制都极具应用价值和现实意义。

发明内容

本发明提供了一种无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，目的在于得到一种雷达系统，以实现无人驾驶汽车复杂环境防撞。

本发明采用如下技术方案：

一种无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，包括天线分系统、射频分系统、信号调理分系统、信号处理分系统；

所述天线分系统形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号；

所述射频分系统，产生发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，实现输出线性调频连续波；

所述信号调理分系统，对中频模拟信号的滤波和幅值放大；

所述信号处理分系统，使信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到AD采集通道中，并进行信号处理且输出。

进一步的，所述天线分系统包括发射天线和接收天线，所述接收天线是两个接收天线，使用微带矩形贴片形成组阵；所述发射天线、接收天线通过过孔与背面微波电路连接。

进一步的，所述信号处理分系统，包括ARM芯片、电源模块、串口模块和CAN模块，所述AMR芯片将信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到ARM芯片自带的四路AD采集通道中，由ARM芯片进行信号处理，通过串口模块和/或CAN模块输出。

进一步的，天线分系统包括发射天线和接收天线，所述射频分系统包括压控振荡器和混频器，所述信号处理分系统包括信号调理电路和PLL锁相环，所述信号处理分系统包括A/D转换器和ARM芯片，ARM芯片的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM芯片的另一端。

有益效果：本发明提供了一种无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，以实现无人驾驶汽车复杂环境防撞。

附图说明

图1无人驾驶汽车防撞毫米波雷达系统工作框图；

图2信号调理分系统整体设计框图；

图3无人驾驶汽车防撞雷达信号处理分系统硬件整体设计框图。

具体实施方式

实施例1：本实施例主要介绍的是采用毫米波雷达实现无人驾驶汽车的避障功能。毫米波雷达与其他的探测方式相比，主要有探测性能稳定、环境适应良好、尺寸小、价格低，可以在相对恶劣的雨雪天气使用等优点。

针对无人驾驶汽车行驶过程中对其行驶环境感知能力的不足，尤其是对复杂环境中障碍物的避障能力不足或是缺乏，或是避障时间过短导致无法及时躲避障碍物，从而导致的无人驾驶汽车碰撞，造成无人驾驶汽车损坏等现象，本实施例提供了一种无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，通过对无人驾驶汽车行驶前方环境中雷达检测范围内多个障碍物，包括静止目标以及动态目标，可以得到无人驾驶汽车之间的相对距离、相对速度以及方位角的解算。如果一定时间内对目标障碍物的位置进行实时计算，就可以得到动目标障碍物的轨迹以及航迹从而可以判定目标的绝对速度和运动方向，可以对动目标未来的位置进行预测以及跟踪，或是静止目标的实时空间位置的跟踪，根据无人驾驶汽车的行驶速度，提前做好避障路径的规划。

无人驾驶汽车避障毫米波雷达的实现原理主要是通过天线向无人驾驶汽车行驶的前方一定波束空间辐射电磁能量，使其在空中传播，其中部分辐射能量被离无人驾驶汽车雷达某个距离上的反射障碍物目标所截获，障碍物目标将截获的能量重新辐射到许多方向上，其中一部分重新辐射的能量返回到无人驾驶汽车雷达天线上，被雷达天线所接收。前方障碍物的相关信息经过接收机放大和合适的信号处理后，在接收机输出端做出目标回波信号是否存在的判决，此时，目标的位置和其他可能有关目标的信息就得到了，例如相对速度以及方位角等信息。

本实施例所设计的毫米波雷达的工作频率在24GHz或77GHz，采用FMCW连续波体制，采用线性调频其距离分辨率高。波形可以采用线性调频三角波FMCW、锯齿波以及恒频波或是这几种波形的组合波形。采用单一的三角波发射波形，可以对目标进行距离以及速度方位角的检测、锯齿波主要是对目标距离以及方位角的检测，恒频波是对目标速度以及方位角的解算，同时由这几种波形组合而成的波形，可以实现多目标距离、速度以及方位角的解算，虚警率更低等特点，可以根据不同的应用场景选择发射波形，从而达到不同的应用领域。

本实施例设计的无人驾驶汽车的最大行驶速度为250m/h，无人驾驶汽车防撞的雷达最大测距为200m。

无人驾驶汽车防撞毫米波雷达系统的工作原理是利用发射信号和回波信号之间的频率差来确定被测目标的距离、速度。该系统一般由调制信号发生器、压控振荡器(VCO)、发射器、接收器、混频器及信号处理模块、数字信号处理模块等组成。其组成框图如图1所示。

如图1所示，本实施例把无人驾驶汽车复杂环境防撞系统主要分为天线分系统，射频分系统，信号调理分系统、信号处理分系统以及报警控制系统等。

本实施例给出无人驾驶汽车防撞毫米波雷达的基本工作原理为：

1、通过ARM芯片通过控制PLL锁相环来发射线性调频三角波，即输出具有一定幅值和频率的调制信号(本实施例为线性调频连续三角波)，采用锁相环可以是发射波形数据更精准，从而提高系统的性能.

2、压控振荡器VCO在PLL锁相环的作用下产生一定范围内的发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，从而实现线性调频连续波FMCW的工作模式。

3、发射信号一路通过发射器辐射到无人驾驶汽车行驶前方的空间中，另一路则与反射回来的回波信号进行混频。回波信号与之前的发射信号相比，其频率已经发生变化，经混频器之后得到的信号就是差频信号。

4、无人驾驶汽车行驶前方目标信息就包含在此差频信号中。通过将差频信号经过信号调理即信号放大滤波后输入到ARM芯片进行AD采样。

5、在ARM芯片中将采样后的两路IQ数据进行数字信号处理。数字信号处理主要包括FFT时频变化，CFAR门限检测以及距离、速度解耦计算、方位角的计算，对于一些场合可能需要进行动目标显示(MTI)技术和动目标检测(MTD)技术等。

6、然后经过一定的信号处理得到目标的距离、速度、角度等相关信息，通过CAN或是其他通信方式接入到无人驾驶汽车主控制器中或是输出通过无线传输方式传回到上位机或是手机等终端进行实时显示。

7、通过对无人驾驶汽车前方危险障碍物距离、速度以及方位的计算，无人驾驶汽车主控制器根据对前方目标实时更新的数据信息进行数据处理，主要包括滤波预测等处理，可以采用卡尔曼滤波以及预测等方法进行，通过滤波以及预测算法对其前方障碍目标可以做到实时检测以及跟踪，通过判断前方目标距离以及速度方位角，结合无人驾驶汽车自身的行驶速度，提前规划好避障策略，从而使得无人驾驶汽车完成整个避障过程。

下面根据各个分系统，详细介绍分系统的主要功能和设计方法。

天线分系统主要任务是形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号。本实施例所设计的天线阵包括一个发射天线、两行接收天线单元，采用微带矩形贴片形式组阵收发天线均通过过孔与背面微波电路连接。该天线发射波束可以根据应用场景进行设计，可选择水平方向采用比相法或是比幅发法进行测角或是俯仰方向测角。本实施例选择微带天线主要是由于，微带天线具有以下优点：体积小、重量轻、低剖面、低成本，并且除了在馈电点处要开出引线外，不破坏载体的机械机械结构；性能多样化，设计的微带元最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整，实现多种几何方式；能与有源器件、电路集成为统一的组件，适合大规模生产，简化整机的制作和调试，大大降低成本。

射频分系统的设计方法主要是根据无人驾驶汽车防撞毫米波雷达的应用场景和功能需求进行设计，主要完成任务是压控振荡器VCO在PLL锁相环的作用下产生一定范围内的发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，从而实现线性调频连续波工作模式。射频分系统射频前端主要由收发集成芯片BGT24MTR12与锁相环ADF4158两个部分组成。其中英飞凌雷达芯片BGT24MTR12是英飞凌公司专门为24G汽车雷达定制，里面集成了包括VCO，PA，LNA，MIXER等发射和接收通道的所有射频模块，该芯片体积小，价格低，性能稳定；ADF4158为ADI公司推出的业界唯一的汽车雷达应用的PLL，其功能多样，使用方便可靠。工作时，由ADF4158产生所需发射波形(一般为三角波，锯齿波及其组合)，然后驱动雷达芯片VCO调谐管脚，VCO根据调谐管脚电压产生对应射频信号，其中一路射频信号经过PA放大送到发射天线，另外一路经过分频器6分频，送到ADF4158输入进行锁定。发射信号遇到目标反射，回波经过接收天线送到低噪放大器LNA，LNA将信号放大后经过混频器MIXER下变频至中频模拟信号输出。使用ADF4158进行锁定的目的是为了使VCO输出频率更加稳定。

信号调理分系统主要是实现中频模拟信号的滤波和幅值放大等功能，包含信号放大和滤波两部分。具体设计方法可以参考图2，所示。

信号处理分系统硬件部分采用单ARM处理结构；主要电路包括ARM处理模块、电源模块、串口模块和CAN模块。

ARM处理模块主要是将信号调理电路输出的四路I/Q中频信号线通过信号调理模块，进入到ARM自带的四路AD采集通道。经过一定的信号处理后通过串口或CAN口输出结果。串口和CAN口根据不同场景可以进行选择。

电源模块提供整个信号处理模块的电压。并且提供给射频前端模块和信号调理模块5V和3.3V电压。电源输入采用宽范围输入电压，兼容12V和24V。

无人驾驶汽车防撞雷达基带信号处理模块整体设计框图如图3：

信号处理分系统软件部分主要进行控制射频前端锁相环PLL发射波形和对回波信号进行接收、解算并输出测量结果。

报警控制分系统主要是通过对信号处理分系统所获得无人驾驶汽车前方危险障碍物距离、速度以及方位的进一步计算，实现无人驾驶汽车主控制器根据对前方目标实时更新的距离、速度、角度等数据信息，进行滤波预测等处理，控制器根据计算的出的数据，结合无人驾驶汽车自身行驶状态，包括行驶速度等，提前做出报警以及控制决策，从而使得无人驾驶汽车可以在复杂环境中自主完成避障过程。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，包括天线分系统、射频分系统、信号调理分系统、信号处理分系统；

所述天线分系统形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号；

所述射频分系统，产生发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，实现输出线性调频连续波；

所述信号调理分系统，对中频模拟信号的滤波和幅值放大；

所述信号处理分系统，使信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到AD采集通道中，并进行信号处理且输出。

2.如权利要求1所述的无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，所述天线分系统包括发射天线和接收天线，所述接收天线两个接收天线，使用微带矩形贴片形成组阵；所述发射天线、接收天线通过过孔与背面微波电路连接。

3.如权利要求1所述的无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，所述信号处理分系统，包括ARM芯片、电源模块、串口模块和CAN模块，所述AMR芯片将信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到ARM芯片自带的四路AD采集通道中，由ARM芯片进行信号处理，通过串口模块和/或CAN模块输出。

4.如权利要求1所述的无人驾驶汽车复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，天线分系统包括发射天线和接收天线，所述射频分系统包括压控振荡器和混频器，所述信号处理分系统包括信号调理电路和PLL锁相环，所述信号处理分系统包括A/D转换器和ARM芯片，ARM芯片的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM芯片的另一端。