董 輝

谷歌無人駕駛汽車裝用的雷達(dá)傳感器

董 輝

敘述谷歌無人駕駛汽車用激光雷達(dá)傳感器與自動制動系統(tǒng)用車載毫米波雷達(dá)傳感器，闡述恩智浦半導(dǎo)體公司試制的77GHz頻段車載毫米波雷達(dá)用收發(fā)器。

無人駕駛汽車；雷達(dá)傳感器；車載毫米波雷達(dá)

1 谷歌公司無人駕駛汽車的概述

谷歌無人駕駛汽車（以下簡稱谷歌車）項(xiàng)目是塞巴斯蒂安-特龍（Sebastian Thrun）的智慧結(jié)晶。塞巴斯蒂安-特龍是斯坦福大學(xué)人工智能試驗(yàn)室的主任，谷歌工程師，是谷歌街景地圖服務(wù)的創(chuàng)造者之一。

2005年，塞巴斯蒂安-特龍領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由斯坦福學(xué)生和教師組成的團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了斯坦利機(jī)器人汽車，該車在由美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）舉辦的第2屆“挑戰(zhàn)”（Grand Challenge）大賽中奪冠。斯坦利機(jī)器人汽車在沙漠中行駛超過212.43 km （132英里），因此贏得了由五角大樓頒發(fā)的200萬美元獎金。這支由15位工程師組成的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)投身于此項(xiàng)目，谷歌公司另外聘請了至少12人觀察汽車行駛狀況，這些人均沒有不良駕駛記錄，薪酬15 $/h甚至更多。谷歌在此項(xiàng)目中使用了6輛普銳斯和1輛奧迪TT。

谷歌無人駕駛汽車已經(jīng)行駛超過32.18萬km（20萬英里）。技術(shù)人員表示：谷歌無人駕駛汽車通過攝像機(jī)、雷達(dá)傳感器和激光測距儀來“看到”其他車輛，并使用詳細(xì)的地圖來進(jìn)行導(dǎo)航。手動駕駛車輛收集來的信息是如此巨大，必須將這些信息進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，谷歌數(shù)據(jù)中心將這一切變成了可能。所面臨的難題是自動駕駛汽車和有人駕駛的汽車如何共處而不引起交通事故的問題。

2014年5月28日，Code Conference科技大會上，Google推出自己的新產(chǎn)品——無人駕駛汽車。和一般的汽車不同，Google無人駕駛汽車沒有轉(zhuǎn)向盤和制動盤。

無人駕駛就是將汽車技術(shù)與IT技術(shù)相結(jié)合，通過數(shù)量較多、敏感度較高的傳感器和其他相關(guān)信息采集設(shè)備，在汽車行駛過程中收集大量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)加以分析判斷并發(fā)出正確指令，引導(dǎo)車輛向前行進(jìn)或停止。

2 無人駕駛系統(tǒng)的傳感器及激光雷達(dá)

如圖1所示，無人駕駛系統(tǒng)具有4項(xiàng)功能。利用傳感器與無線電搜集信息，對自車位置及周圍的物體進(jìn)行特定的分析與識別，對車輛應(yīng)該如何行駛決定行動，最后是使發(fā)動機(jī)與轉(zhuǎn)向盤確實(shí)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)控制。

圖1 汽車無人駕駛的4項(xiàng)功能

信息搜集的關(guān)鍵技術(shù)大致包括3個(gè)方面：即傳感器技術(shù)、無線電技術(shù)以及詳細(xì)地圖的繪制。無人駕駛車輛上，裝用了特征不同的各種各樣的傳感器， 將傳感器所獲得的信息加以綜合評價(jià)，以獲得更準(zhǔn)確信息的技術(shù)稱為多傳感器數(shù)據(jù)融合。本文將主要介紹谷歌公司所開發(fā)的第4層次無人駕駛車輛裝用的2種雷達(dá)傳感器。

2.1 谷歌車用激光雷達(dá)傳感器

谷歌車上設(shè)置了5種車外傳感器。其中2種雷達(dá)是把握周邊環(huán)境的最重要傳感器，一種是讀取周邊環(huán)境三維結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)，如圖2所示。

谷歌車上的激光雷達(dá)，就像特種車輛上的旋轉(zhuǎn)射燈一樣，在不停地轉(zhuǎn)動，非常顯眼。此激光雷達(dá)傳感器瞬時(shí)讀取周圍360°3D空間的狀況，并將其數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其工作原理為［timeof-flight］（飛行時(shí)間或飛行時(shí)間技術(shù)）方式。

所謂［time-of-flight］工作方式，即在用傳感器測定距離的方向上照射激光，通過測量此激光遇到某種物體后再返回的時(shí)間，測定至某種物體距離的方法。采用激光測量的方法，可以實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確地測量。當(dāng)然，按激光雷達(dá)種類的不同，也可以不采用紅外線，而采用其他激光。［time-of-flight］工作方式的工作原理如圖3所示。

圖2 谷歌車上的激光雷達(dá)

圖3 ［time-of-flight］的工作原理

谷歌車裝用的激光雷達(dá)，由Velodyne公司生產(chǎn)，型號為HDL-64E。這種激光雷達(dá)可以將120 m之內(nèi)的距離加以3D數(shù)據(jù)化，測定誤差小于5cm，測定周圍360°空間的狀況最快只需66 ms。

2016年初，恰逢Velodyne車企項(xiàng)目銷售經(jīng)理John Eggert路過北京，科技新聞車云網(wǎng)編有幸獲得了一張最新款產(chǎn)品Ultra Puck1.5內(nèi)部構(gòu)造諜照，如圖4所示。

圖4 全球首張激光雷達(dá)內(nèi)部諜照

2.2 Velodyne激光雷達(dá)HDL-64E產(chǎn)品簡介［1］

HDL-64E 激光雷達(dá)傳感器的單件如圖5所示，是專為障礙物探測和車輛船只導(dǎo)航而設(shè)計(jì)。它堅(jiān)固耐用，擁有360°視野及高傳輸速率，理想適用于3D移動數(shù)據(jù)采集和地圖繪制應(yīng)用。其水平視野為360°，縱向視野為26.8°，5～15 Hz可選幀速率，每秒輸出130 W像素，HDL-64E可提供可靠的遠(yuǎn)距傳感數(shù)據(jù)。

HDL-64E持有一體式設(shè)計(jì)專利，使用64個(gè)激光器，安裝牢固，穩(wěn)定可靠。其主要參數(shù)見表1。

圖5 HDL-64E 激光雷達(dá)傳感器的單件

表1 HDL-64E的主要參數(shù)

激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)：可以快速準(zhǔn)確地把握周圍的3D空間；在狀態(tài)合適的場合下，激光雷達(dá)還可以讀取道路上設(shè)置的白線。這是因?yàn)椋旱缆飞纤O(shè)置的白線都是用具有較高反射率的涂料涂裝而成，激光雷達(dá)的3D數(shù)據(jù)中，可能包含有白線與路面反射率的差別。

谷歌車將激光雷達(dá)所讀取的周圍3D數(shù)據(jù)（含道路的白線信息）與早已掌握的地圖信息相重疊，決定出自車沿地圖上的哪條路行駛。因此，如果更改了白線或者因降雪掩蓋了白線，以及風(fēng)沙影響難以看清白線的場合下，谷歌車將難以決定自車的行駛路線，這是谷歌車的弱點(diǎn)。晴天時(shí)，激光雷達(dá)可以非常有效地發(fā)揮出其車輛眼睛的作用。

激光雷達(dá)與雷達(dá)最基本的不同在于電磁波的波長。與雷達(dá)相比，激光雷達(dá)采用的是波長更短的電磁波，作為其代表性的有紫外線、可視光學(xué)與近紅外線。

3 自動制動系統(tǒng)用車載毫米波雷達(dá)傳感器

目前上市的很多種車型，為了對撞車防患于未然，都裝用了自動制動系統(tǒng)用車載毫米波雷達(dá)傳感器。雷達(dá)所能檢測出來的項(xiàng)目為到對象物的距離與相當(dāng)速度。谷歌車上裝用了激光雷達(dá)，因此有人認(rèn)為：是否可以不需要車載毫米波雷達(dá)傳感器了。對此，Udacity的Thrun先生的解釋是：因?yàn)榧す饫走_(dá)與車載毫米波雷達(dá)的特性不同，所以還是須要裝用車載毫米波雷達(dá)的。例如，激光雷達(dá)采用的是紅外線激光，其波長短至900 nm，有時(shí)受到霧、雨等的影響，將看不清前方。但車載毫米波雷達(dá)的波長為數(shù)毫米，可以看到霧的前方。

此外，激光雷達(dá)與車載毫米波雷達(dá)可能測定的距離也不同，激光雷達(dá)采用了即便照射到了周圍人的眼睛，但強(qiáng)度不會對人產(chǎn)生影響的激光，所以最遠(yuǎn)只能檢測到前方120 m處，而車載毫米波雷達(dá)可能檢測到前方250 m處。而更重要的理由是：車載毫米波雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)，可以檢測出對象物的相對速度；還可以檢測出早期的動態(tài)物體。

4 77 GHz頻段車載毫米波雷達(dá)用收發(fā)器

2015年12月，恩智浦半導(dǎo)體公司（N X P Semiconductors、以下簡稱NXP）發(fā)布消息稱：公司開發(fā)了汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance Systems 簡稱ADAS）及無人駕駛技術(shù)傳感器77 GHz頻段車載毫米波雷達(dá)用收發(fā)器。在一塊芯片上集成了發(fā)送電路與接收回路，其外形封裝尺寸非常小，達(dá)到了7.5 mm2，如圖6所示。

NXP 已將達(dá)到實(shí)用水平的77 GHz頻段車載毫米波雷達(dá)用收發(fā)器樣機(jī)送交其主要的客戶。對谷歌的無人駕駛項(xiàng)目也將進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

圖6 NXP生產(chǎn)的77 GHz頻段車載毫米波雷達(dá)用收發(fā)器

77 GHz頻段車載毫米波雷達(dá)是主要用于檢測前方是否存在車輛的ADAS傳感器。此前，77 GHz頻段毫米波雷達(dá)的收發(fā)器主要用GaAs基片的分立半導(dǎo)體器件構(gòu)成，因而毫米波雷達(dá)部件的體積較大、價(jià)格也高。此后，有人提出了采用SiGe（硅鍺）工藝的方案，由此可以制得小型、低價(jià)的收發(fā)器，77 GHz頻段毫米波雷達(dá)價(jià)格的下降，使得其運(yùn)用車型進(jìn)一步增加。當(dāng)前，SiGe工藝的收發(fā)器是由英飛凌公司與NXP的合資公司飛思卡爾（Freescale Semiconductor）對外供貨的。

此次NXP發(fā)布的采用CMOS工藝的收發(fā)器，可以使77 GHz頻段毫米波雷達(dá)進(jìn)一步縮小體積，進(jìn)一步降低價(jià)格。安裝在散熱器部位的毫米波雷達(dá)總成進(jìn)一步小型化后，就可以作為檢測車輛側(cè)方的傳感器使用。這樣一來，就有可能利用毫米波雷達(dá)檢測車輛的整個(gè)周圍，與SiGe工藝收發(fā)器相比，其所消耗的電力可以減輕40 % 。

目前意法半導(dǎo)體除了將生產(chǎn)77 GHz頻段車載毫米波雷達(dá)用收發(fā)器IC之外，在先前生產(chǎn)24 GHz頻段產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，還將對應(yīng)77 GHz頻段的3個(gè)晶體管與4個(gè)收發(fā)器集成在1塊芯片上。

［1］Velodyne激光雷達(dá)HDL-64E［EB/OL］.http：//www. instrument.com.cn/ netshow/SH101451/ C201596.htm.

（編輯 心 翔）

Discussion of Radar Detector on Google Driverless Car

DONG Hui

This article introduces the laser radar detector for Google driverless car and millimeter-wave radar detector on automatic braking system. The 77GHz automobile millimeter-wave radar transceiver produced by NXP Semiconductors is also demonstrated.

driverless car; radar detector; automobile millimeter-wave radar

U463.675

A

1003-8639（2017）06-0017-03

2016-08-08；

2016-09-01

董輝，男，高級工程師，研究方向?yàn)槠囯姎獾陌l(fā)展現(xiàn)狀與動向，曾著有《汽車用傳感器》一書。