《智能网联汽车技术概论》课件---第三章-雷达在智能网联汽车中的应用

No.10008授课教师：智能网联汽车技术概述◣第三章雷达在智能网联汽车中的应用No.10008目录第一章-智能网联汽车技术综述第二章-视觉传感器在智能网联汽车中的应用第三章-雷达在智能网联汽车中的应用第四章-高精度定位与导航系统第五章-智能网联汽车路径规划与决策控制第六章-汽车总线及车载网络技术第七章-智能网联汽车通信技术第八章-ADAS与智能网联汽车的应用第九章-智能网联汽车的操作系统与应用平台简介No.10008学习目标1知道汽车雷达的分类及特征区别2了解超声波雷达的结构、原理和性能指标3熟悉超声波雷达在智能网联汽车中的应用4了解毫米波雷达的结构、原理及特点5熟悉毫米波雷达在智能网联汽车中的应用6了解激光雷达的结构、原理及特点7熟悉激光雷达在智能网联汽车中的应用No.10008•超声波雷达01No.10008超声波雷达原理与应用•1.车载超声波雷达基础知识•不同雷达波的特征•汽车雷达可分为超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等。雷达的原理不同，其性能特点也有各自的优点，可用于实现不同的功能。超声波毫米波激光F20KHzF30GHzF~THzNo.10008超声波雷达原理与应用•汽车车载雷达技术源自军工技术，超声波雷达的工作原理是利用传感器中的超声波发生器产生40kHz的超声波，然后接收探头接收障碍物反射的超声波，并根据超声波反射接收的时差计算出与障碍物的距离。毫米波雷达是ADAS系统的主要传感器。其工作频率范围为30GHz至300GHz，可以检测目标、测速、测距和测量方位。•军工雷达探测扫描原理No.10008超声波雷达原理与应用•超声波雷达是汽车最常用的一种传感器，可以通过接收到反射后的超声波探知周围的障碍物情况，消除了驾驶员停车泊车、倒车和起动车辆时前、后、左、右探视带来的麻烦，帮助驾驶员消除盲点和视线模糊缺陷，提高了行车安全性。•超声波雷达被广泛应用于倒车辅助系统和自动泊车系统中。No.10008超声波雷达原理与应用•超声波传感器中最常用压电式超声发生器，利用压电晶体的共振来工作。•请说说压电式超声发生器的结构与工作原理是什么？•超声波在空气中的传播速度为340m/s，发射点与障碍物表面之间的距离s可以根据计时器记录的时间t进行计算。计算公式如下：•s=(t×340)/2No.10008超声波雷达原理与应用•在实际应用中，还应考虑多普勒效应、温度影响、噪声干扰、线性驱动干扰、机械特性等。但是，一般来说，返回数据的误差非常小，一般最大误差不超过±5cm。•在正常情况下，基本障碍物与同一障碍物之间的距离不会波动。一般来说，超声波雷达的最大探测距离约为2.5m～5m，最小探测距离约为25cm～35cm，超声波雷达波会产生余震，如果余震期间探测距离过短，会导致盲点从而无法确定与障碍物的距离。No.10008超声波雷达原理与应用•超声波雷达的工作原理超声波雷达的工作原理图No.10008超声波雷达原理与应用•请说说汽车前方的超声波雷达传感器返回的探测距离与时间的关系是什么？No.10008超声波雷达原理与应用•2.车载超声波雷达应用•车载超声波雷达主要分为哪两类？请说说各自的用途？•车载超声波雷达主要分为UPA和APA两大类。UPA是一种短程超声波，主要安装在车身的前部与后部，检测范围为25cm～2.5m，由于检测距离大，多普勒效应和温度干扰小，检测更准确。APA是一种远程超声波传感器，主要用于车身侧面，检测范围为35cm～5m，可覆盖一个停车位。方向性强，探头波的传播性能优于UPA，不易受到其他APA和UPA的干扰。当然，检测距离越远，检测误差越大。No.10008超声波雷达原理与应用•超声波通常由LIN总线驱动，每一个超声波都需要一个超声波雷达ID来帮助区分。超声波雷达是一种无源传感器。超声波能在1秒内传输最大20Hz的检测信息，在超声波接收到信号后，进行一轮超声波检测，然后将采集到的信息返回终端。案例：丰田雷克萨斯泊车雷达的工作原理图No.10008超声波雷达原理与应用•超声波雷达的主要性能指标有哪些？•①工作频率。是指压电晶片的共振频率,当两端交流电压频率等于晶片的谐振频率时，雷达波的传输能量输出最大，灵敏度也最高。•②工作温度。超声波雷达的工作温度取决于应用的条件，诊断型超声波雷达功率小，工作温度相对较低，能长期工作而不发生故障。有些应用会产生大量的热量，需要单独冷却。•③灵敏度。超声波雷达的灵敏度与晶圆的制造有关,机电耦合系数大，灵敏度高。No.10008•毫米波雷达02No.10008毫米波雷达组成与原理•1.车载毫米波雷达结构组成•（1）毫米波雷达的种类有哪些？•毫米波雷达是通过发射和接收无线电波来测量车辆与车辆之间的距离、角度和相对速度的装置。•毫米波是指长度为1～10毫米的电磁波，毫米波的频带频率高于射频，低于可见光和红外线，相应的频率范围为30～300GHz。•目前，毫米波段有24GHz、60GHz、77GHz、120GHz，其中24GHz和77GHz用于汽车。•24GHz主要用于5-70米的中、短程检测，主要用于BSD、LDW、LKA、LCA、PA，77GHz主要用于100-250米的中、远程检测，如ACC、FCW、AEB等。No.10008毫米波雷达组成与原理•（2）毫米波雷达系统组成•毫米波雷达系统主要包括天线、收发系统、信号处理系统、收发芯片和天线。•印刷电路板是毫米波雷达的硬件核心。其中，收发芯片通常使用一种特殊的半导体，如硅锗双极晶体管。•这些硅锗基芯片不能实现更高的集成度，因此，雷达系统通常需要多个芯片和外围设备。•基于SIGE技术的77GHz毫米波雷达系统可以满足汽车的应用需求，但它占用了大量的板空间，而且价格昂贵，使用成本较高。No.10008毫米波雷达组成与原理•单片微波集成电路（MMIC）芯片和天线印制电路板是毫米波雷达的硬件核心。以调频连续波汽车雷达系统为例，天线的结构主要包括天线、收发模块和信号处理模块。•（1）MMIC单片微波集成电路•MMIC具有电路损耗低、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、抗电磁辐射能力强等特点。包括各种各样的功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、探测器、调制器、压控振荡器（VCO）、移相器等等。MMIC天线板雷达No.10008毫米波雷达组成与原理•（2）雷达天线高频印刷电路板•毫米波雷达结构包括天线、收发模块、信号处理模块等。射频收发器前端是雷达系统的核心部件。•前端主要包括波导结构的前端、微带结构的前端和前端的单片集成。•典型的射频前端主要包括天线、线性VCO、放大器和平衡混频器部分，前端混频输出的中频信号通过中频放大送至下一级的数据处理部分。•数据处理部分的基本目标是消除不必要的信号（如杂波）和干扰信号，处理经中频放大的混频信号，从信号频谱中提取目标距离、速度等信息。英飞凌汽车毫米波雷达No.10008毫米波雷达组成与原理•2.车载毫米波雷达工作原理•请说说毫米波雷达的工作特性有哪些？•毫米波位于微波和远红外波重叠的波长范围内，根据波传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但传播过程中损耗越大，传输距离越短。•相对而言，频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。因此，与微波相比，毫米波具有分辨率高、方向性好、抗干扰能力强、检测性能好等特点。•与红外线相比，毫米波具有大气衰减小、对烟雾的穿透性好、受天气影响小等特点，毫米波雷达具有全天候工作的能力。ADAS毫米波雷达工作路径No.10008毫米波雷达组成与原理•FMCW毫米波雷达系统•FWCW雷达是目前最常用的车载毫米波雷达，FWCW雷达系统主要包括发射接收天线、射频前端、调制信号和信号处理模块。•毫米波雷达是通过对接收信号和发射信号的处理，实现对目标的探测距离、方位和相对速度的测量。FMCW毫米波雷达系统结构与原理No.10008毫米波雷达组成与原理•请探讨，并说说FWCW雷达的载波频率与天线调制频率的关系。No.10008毫米波雷达组成与原理•根据电磁波辐射方式的不同，毫米波雷达主要有两种工作系统：脉冲系统和连续波系统。请说说车用毫米波雷达技术原理。雷达前端发射输出LO发射输出MCUVCOPLLPAPA控制BBProcFlexRayTM接口Vbat|CAN电源和CAN接口ControlBBProc接收输入接收输入No.10008毫米波雷达组成与原理•通过三维扫描，可以更可靠地检测出物体的正面、左侧和右侧以及上下方向。•例如，通过检测上面设置的道路标志的高度，可以正确识别车辆前面的物体。道路上的障碍物可以从更远的位置识别，从而提高高速区域碰撞安全系统的性能。毫米波雷达测距方法非常简单，即先发射无线电波，然后接收回波，根据发射和接收的时间差测量目标的位置数据和相对距离。根据电磁波传播速度，确定目标距离的公式为：•s=ct/2•请说说目标距离测定的原理是什么？No.10008毫米波雷达组成与原理•根据毫米波雷达的有效射程，车载毫米波雷达可分为长距离雷达（LRR）、中距离雷达（MRR）和短距离雷达（SRR）。以ACC自适应巡航为例，车速大于25km/h时，ACC自适应巡航才会起作用，而当车速降低到25km/h以下时，就需要进行人工控制。当将所用雷达升级到77GHz毫米波雷达后，与24GHz雷达系统相比，识别率提高了3倍速度和实测值，距离精度提高3～5倍，对前车距离的监测更为准确、快速。No.10008毫米波雷达组成与原理•请说说77GHz毫米波雷达主要优势有哪些？•1）探测距离越远。带宽越大，天线越小，功率越集中，探测距离越远；•2）独特的频段。24GHz为了减少对电信信号与射电天文信号的干扰，欧盟限制了仅用于短程雷达的24GHz车载毫米波雷达的传输功率，而77GHz则相对独特。•3）毫米波元件的尺寸比微波小得多，更容易实现小型化。No.10008毫米波雷达组成与原理•雷达主要测量目标的三个参数：位置、速度和方位角。•（1）位置和速度•请说说位置和速度如何测量？•测量位置和速度的精确方法取决于雷达使用的调制方法，雷达调制就是简单地实现雷达回波识别和传递时间测量，对于雷达发射的电磁波，需要增加标记和时间基准。在车载雷达中，主要采用幅度调制和频率调制两种方法。No.10008毫米波雷达组成与原理•请说说雷达测距原理是什么？No.10008毫米波雷达组成与原理•（2）方位角•请说说方位角测量的原理与方法。No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•为了满足不同探测距离的需要，车内安装了大量的短程、中程和远程毫米波雷达。不同的毫米波雷达在车辆的前部、车身侧面和后部起着不同的作用。•毫米波雷达可实现自适应巡航控制、前向防撞报警、盲点检测、辅助停车、辅助变道、自主巡航控制等先进的巡航控制功能。No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•在汽车ADAS系统中，毫米波雷达应用于哪些领域？•自适应巡航控制（ACC）、前方避碰报警（FCW）、盲点检测（BSD）、辅助停车（PA）、辅助变道（LCA）等领域。No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•（1）自适应巡航（ACC）•自适应巡航是一种驾驶辅助功能，它可以按照设定的车速或距离跟随前面的车辆，或者根据前面的车速主动控制车辆的行驶速度，最终使车辆与前面的车辆保持安全距离。其优点是可以有效地解放驾驶员的脚，提高驾驶舒适性。•请说说自适应巡航的工作原理？No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•请说说ACC系统开启方法。ACC系统开启ACC系统结构与原理No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•自适应巡航视频演示自动驾驶第一步ACC自适应巡航自适应巡航控制如何工作No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•（2）自动紧急制动（AEB）•请说说什么是自动紧急制动？工作原理是什么？No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•（3）前方防撞预警功能（FCW）•请说说什么是前方防撞预警功能？工作原理是什么？No.10008毫米波雷达在智能网联汽车中的应用•（4）变