智能网联汽车技术 课件 项目二（任务3、4）毫米波雷达技术

任务3毫米波雷达技术01任务3毫米波雷达技术02任务引入任务引入自动驾驶技术发展至今，该领域目前已经演变成了融合感知派和视觉感知派这两条截然不同的技术路线。除了特斯拉之外，绝大多数车企都属于融合感知派，它们往往会采用激光雷达+毫米波雷达+摄像头等多重冗余感知方案。对于融合感知派成员来说，激光雷达、毫米波雷达已经不再是装不装的问题，而是需要装多少个的问题。正当大多数车企还在纠结于应该在自己的产品上搭载多少颗激光雷达，多少颗毫米波雷达时，从2022年2月中旬开始，特斯拉投放在北美市场的ModelS和ModelX将不再配备毫米波雷达，这也就意味着特斯拉在北美市场上已经实现了纯视觉自动驾驶的这一愿景，正式进入了它想要的纯视觉智能驾驶时代。你是否认同不搭载毫米波雷达的自动驾驶方案呢？03任务目标04了解毫米波雷达定义、结构、功能、工作原理了解毫米波雷达定义、结构、功能、工作原理020103042了解毫米波雷达在智能网联汽车整车的作用4能够熟悉毫米波雷达的优缺点3能够熟悉毫米波雷达的应用场景5能够熟悉毫米波雷达在汽车上的配置方案毫米波雷达介绍毫米波雷达：MillimeterWaveRADAR（MillimeterWaveRadioDetectionAndRanging无线电探测与测距）。毫米波是指波长为1~10mm的电磁波，对应的频率范围为30~300GHz。电磁波波普如下图2-3-1所示。图2-3-1电磁波波谱毫米波雷达介绍毫米波雷达是工作在毫米波频段的雷达，它通过发射与接收高频电磁波来探测目标，后端信号处理模块利用回波信号计算出目标的距离、速度和角度等信息。按照测量目标的距离远近可划分为短程雷达（SRR）、中程雷达（MRR）、远程雷达（LRR)。如下图2-3-2所示。图2-3-2毫米波雷达频段与距离分类毫米波雷达的组成毫米波雷达是一种利用毫米波频段进行雷达测量的传感器。它由发射模块、接收模块、天线和信号处理模块构成。毫米波工作时，发射模块通过天线将电信号（电能）转化为电磁波发出，接收模块接收到射频信号后，将射频电信号转换为低频信号，再由信号处理模块从信号中获取距离、速度和角度等信息。毫米波雷达的发射模块负责产生并发射毫米波信号。通常使用毫米波频段的电子器件，如谐振器或振荡器来产生毫米波信号。毫米波雷达的天线用于发射和接收毫米波信号。毫米波雷达的接收模块负责接收并处理回波信号。接收模块通常包括低噪声放大器、混频器和解调器等电子器件，用于增强和解调接收到的信号。天线的设计通常需要满足较高的增益和方向性要求，以便有效地发射和接收毫米波信号。毫米波雷达的信号处理模块用于对接收到的回波信号进行处理和分析，通常包括数字信号处理器（DSP）和算法，用于提取出目标的位置、速度、尺寸等信息。毫米波雷达的组成以上是毫米波雷达的一些主要组成部分。不同型号和应用的毫米波雷达可能会有所不同，但通常都会包含这些基本组件。毫米波雷达的组成如图2-3-3所示。图2-3-3毫米波雷达的组成05毫米波雷达测距原理毫米波雷达测距原理与激光雷达相比毫米波雷达会有很多测量短距离的场景，如侧向警示、倒车警示等，因此主要以FMCW调制方法来测距。测距原理为：通过振荡器形成持续变化的信号，而发出信号和接收信号之间形成频率差，其差值与发射-接收时间差成线性关系，只要通过频率差就能计算车辆与物体距离。如图2-3-4所示。图2-3-4毫米波测距原理06毫米波雷达测速原理毫米波雷达测速原理（1）毫米波雷达测速主要是基于多普勒效应来测速。（2）当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同，通过检测这个频率差可以测得目标相对于雷达的移动速度。如下图2-3-5所示。图2-3-5毫米波测速原理07毫米波雷达角度测量原理毫米波雷达角度测量原理（1）毫米波雷达方位测量主要包括水平角度和垂直角度的测量。（2）通过毫米波雷达的发射天线（TX）发射出毫米波后，遇到被监测物体，反射回来，通过毫米波雷达并列的接收天线（RX1和RX2），收到同一监测目标反射回来的毫米波，根据反射回波的相位差（b）以及RX1和RX2间的距离（d），就可以通过三角函数计算出被监测目标的方位角（αAZ）。（3）为了提高方位的测量精度，采用使用大量阵列天线来构成窄波束的方法。如下图2-3-6所示。毫米波雷达角度测量原理图3-3-5毫米波角度测量毫米波雷达优缺点毫米波雷达是唯一具备“全天候全天时”工作能力的车载传感器，是智能网联汽车不可或缺的核心传感器之一。08优点优点（1）精度高，抗干扰能力强。毫米波雷达工作在高频段，测量精度高，并且由于周围噪声和干扰处于中低频区，基本上不会影响毫米雷达的正常运行；（2）高分辨率，多目标。毫米波雷达的高分辨率，利于分辨出距离较近的多目标；（3）高频率，低功率。毫米波雷达不同型号功耗不同，一般低于12W；（4）探测距离远，实时性高。传播速度与光速一样，可以快速地测量出目标的距离、速度和角度等信息；（5）全天候全天时。具有很强的穿透能力，在雨、雪、大雾、尘埃等恶劣天气依然可以正常工作。不受光线强度影响，可全天时工作；（6）敏感高，误报低。毫米波雷达金属电磁反射强，其探测不受颜色与温度的影响，误报低；（7）可测速，可测距。毫米波雷达可同时探测多个目标的速度和距离；优点图2-3-6毫米波雷达优点09缺点缺点（1）虚假报警：毫米波雷达是利用目标对电磁波的反射来发现并测定目标位置，而充满杂波的外部环境给毫米波雷达感知经常带来虚警问题；（2）盲区：覆盖区域呈扇形，有盲点区域；（3）交通标志：无法识别交通标志和交通信号灯；（4）道路标志：无法识别道路标线；毫米波雷达的分类根据毫米波雷达的波长及基于此的测量距离，市场上的毫米波雷达可以分为两大类。（1）24GHz毫米波雷达又名角雷达，严格来说是厘米波雷达。其在传统车辆中已经应用多年，属于中短距离雷达，一般安装在车辆的两侧，测距范围在70米之内。可以用来扫描驾驶员盲区，在车辆变道或拐弯时提供自动或辅助功能。（2）77GHz毫米波雷达又名中长距离雷达，主要安装在车辆前后方，高配车辆上的测距范围今天可接近300米，是ADAS辅助驾驶功能的核心。毫米波雷达的技术参数毫米波雷达的技术参数主要有：最大探测距离、距离分辨率、距离灵敏度、距离测量精度、最大探测速度等，如下图所示。图2-3-6毫米波雷达测量技术参数毫米波雷达的应用盲点检测/变道辅助（BSD/LCA）在智能网联汽车的盲点检测/变道辅助功能中，毫米波雷达用于监测驾驶员视线盲区的其他车辆。当其他车辆进入盲区时，系统会发出警告，通常通过闪烁的灯光或声音提醒驾驶员，以减少变道时的潜在危险。毫米波雷达的应用自动紧急制动系统（AEB）AEB是一种主动安全技术，智能网联汽车在检测到潜在碰撞风险时，能够自动启动紧急制动以避免或减轻碰撞的严重程度。车载毫米波雷达通过发射毫米波并接收返回信号，能够检测车辆前方的目标，包括其他车辆、行人、或静止障碍物，可以测量目标与前方车辆之间的距离和相对速度。基于与前方车辆的距离和速度信息，车辆的AEB系统使用算法来评估潜在的碰撞风险。如果系统判断存在碰撞风险，并且驾驶员没有采取适当的行动，AEB系统将启动紧急制动。当AEB系统确定有碰撞风险时，系统会主动触发车辆的制动系统，使车辆减速或停车，以减轻碰撞的严重程度或完全避免碰撞。如图2-3-7所示。毫米波雷达的应用自适应巡航（ACC）ACC是一种先进的驾驶辅助系统，能够维持车辆在高速公路上的巡航速度，并根据前方交通状况进行智能调整速度。车载毫米波雷达能够精确测量前方目标与巡航车辆之间的距离和相对于巡航车辆的速度。基于毫米波雷达提供的目标距离和速度信息，ACC系统使用算法来实时调整巡航车辆的速度，以保持与前方目标的安全距离。毫米波雷达的应用开门预警（DOW）当开门预警功能开启时，安装于汽车两侧的毫米波雷达检测到盲区有目标车辆驶入，且满足报警条件时，驾驶员或乘客打开同侧的车门，系统发出报警，提醒驾驶员或乘客此时下车危险。毫米波雷达的应用后方追尾预警（RCW）当开启后方追尾预警功能时，当安装于汽车后方的毫米波雷达检测到本车道有车辆快速接近，存在碰撞危险，汽车会自动开启双闪警示后方车辆减速，同时仪表显示提醒驾驶员，该功能为0车速启动。如图2-3-8所示。毫米波雷达的应用后方追尾预警（RCW）图2-3-7FCW前方碰撞预警图2-3-8RCW后方碰撞预警10毫米波雷达的安装调试毫米波雷达安装工具设备：电钻工具：平口起子、梅花起子（拆附件）、专用钻头、彩笔、卷尺、电胶布、电笔（安装用）、纸胶带。安装调试过程第1步：拆后保险杠。检查后保险杆内部构造情况，如车架大梁、撞击缓冲泡沫块等，尽量避开此类位置。如果有塑料螺丝动作得轻一些。第2步：打孔。用标尺度量出探头的位置，用配套的专用钻头沿标记处开孔，并将孔修理平滑。（如果是换用新的倒车毫米波雷达，这个较危险的步骤就可以省去）第3步：安装倒车毫米波雷达的探头。按探头编号从左至右依次装入打孔处。理顺探头连线，并上穿至后备箱左侧处。第4步：安装倒车毫米波雷达的控制器，拆开后备箱左侧内衬板及左尾灯，安装上倒车毫米波雷达控制器，电源信号线接在倒车灯线。第5步：安装倒车毫米波雷达的显示器。根据用车习惯找毫米波雷达显示器的固定位置，建议安装在左侧A柱下方。将显示器信号线沿左侧门边压条下方或地胶垫下，排到后备箱左侧处，依顺序把显示器及探头插头接往主控制器。安装调试过程第6步：测试倒车毫米波雷达是否能正常使用。挂入倒档测试倒车毫米波雷达的工作状况，确定各探头及显示器是否正常，然后装回尾灯及内饰板、保险杠。11毫米波雷达的标定毫米波雷达的标定（1）在工作区放置工作牌，将毫米波雷达安装在支架上。在右侧编辑区输入内容（4）在毫米波雷达正前方固定距离放置模拟目标，记录距离。在右侧编辑区输入内容（2）将毫米波雷达RACN信号线与控制柜CAN-H和CAN-L连接。在右侧编辑区输入内容（5）打开控制柜电源，启动计算机。在右侧编辑区输入内容（3）打开毫米波雷达控制盒供电开关、电源开关。在右侧编辑区输入内容（6）启动“RadarViewer"或其他毫米波测试软件。在右侧编辑区输入内容（7）对毫米波雷达安装位置进行调整、标定（模拟目标在测试软件中显示信息与实际一致）。在右侧编辑区输入内容（8）记录软件测试界面的距离、幅度、角度等信息。在右侧编辑区输入内容（9）记录最远距离测试点位数据。（10）记录距离精度测试点位数据。任务4激光雷达技术任务引入近两年以来，越来越多的车企选择在量产车上配置激光雷达，以获得迈向高阶自动驾驶的“通行证”。据不完全统计，包括小鹏P5、宝马iX、理想L9、蔚来ET7、威马M7等在内的几十款车型均配置了激光雷达。激光雷达最初是以“军转民”的方式出现在汽车领域的，所以价格较高。但随着技术迭代，搭载L2~L3级驾驶辅助系统的量产车也开始配备激光雷达。有推崇者，就有反对者。在行业内，特斯拉便是激光雷达的反对者。你如何分析汽车搭载激光雷达的优缺点呢？任务目标12能够熟悉激光雷达的概念能够熟悉激光雷达的概念2能够熟悉激光雷达的工作原理及各项参数3能够熟悉激光雷达的应用场景4能够熟悉激光雷达的优缺点5能够熟悉激光雷达在汽车上的配置方案激光雷达的概念雷达（RADAR-Radiodetectionandranging）是无线电探测和测距，即发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标的距离、速度、方位、高度等信息。传统的雷达是以微波作为载波的雷达，大约出现在1935年。按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等，如下图3-4-1所示。激光雷达的概念图2-4-1不同频段对应的雷达激光雷达，简称Lidar，也称LaserRadar或LADAR（LaserDetectionandRanging：激光探测及测距），是一种通过发射激光束探测目标的位置、距离等特征量的雷达系统。以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线。Lidar（激光雷达）有时被称为3D激光扫描，是3D扫描和激光扫描的一种特殊组合，因为激光雷达因为激光波长短，准直性高，使得激光雷达性能优异：角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、能获得目标多种图像信息(深度、反射率等)、体积小、质量轻等特性；所以它可应用于地面、空中和移动等领域。最初称为光雷达，因为那时使用的光源均非激光。自激光发射器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以现在的光雷达均使用激光发射器作光源，名称也就统称为激光雷达。激光雷达系统组成激光脉冲基本测距原理：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射，光脉冲回到测距仪接收系统。测量发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间，然后根据光速计算出距离。如下图2-4-2所示。图2-4-2激光雷达测距原理激光雷达系统组成激光雷达的关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP（数字信号处理器）、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD（雪崩光学二极管）、TIA（可变跨导放大器）和探测器，如图2-4-3所示。其中除了发射和接收光学镜头外，都是电子部件。激光雷达向外发射激光束，层数越多，精度也越高。发射光学镜头将激光发射出去后，当激光遇到障碍物会反射，从而被接收光学镜头接收，创建一组点云。随着半导体技术的快速演进，性能逐步提升的同时成本迅速降低。激光雷达系统组成图2-4-3激光雷达系统组成13相位测距（CW-TOF）相位测距（CW-TOF）相位测距原理：通过测量被强度调制的连续波激光信号在雷达与目标之间来回飞行产生的相位差获得距离信息。优点是测距分辨率高（毫米级），难点是测量速度较低，测距精度易受目标形状和运动的影响。应用场景例如手持式激光测距仪，如下图2-4-4所示。图2-4-4手持式激光测距仪14脉冲测距（P-TOF）脉冲测距（P-TOF）脉冲测距原理：通过测量激光脉冲在雷达和目标之间来回飞行时间获取目标距离的信息。测距原理如图2-4-5所示。图2-4-5脉冲测距原理15三角测距原理三角测距原理光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD上不同的位置。按照三角公式进行计算，就能推导出被测物体的距离。三角测距原理图2-4-6三角测距原理16激光雷达优点激光雷达优点(1)隐蔽性好、抗有源干扰能力强：激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；(2)低空探测性能好：微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以"零高度"工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。(3)分辨率高：激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率信息。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.1m；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离——多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。17激光雷达的缺点激光雷达的缺点(1)工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。(2)由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。18车载激光雷达的类型车载激光雷达的类型车载激光雷达的分类,按照发射激光线数可分为单线激光雷达和多线激光雷达：①单线激光雷达：也称为二维激光雷达，适用于平面上的测量和检测任务。②多线激光雷达：多线激光雷达指的是激光雷达通过多个激光器发射光源，形成多线束的扫描，目前主要应用于无人机测绘、自动驾驶3D建模及SLAM加强定位。按照硬件结构的不同，可划分为以下几类：①同轴旋转机械式。实物外观及成像如图2-4-7所示。车载激光雷达的类型图2-4-7同轴旋转机械式激光雷达及成像②棱镜旋转机械式。实物外观及成像如图2-4-8所示。车载激光雷达的类型图2-4-8棱镜旋转机械式激光雷达及成像③面阵式。实物外观及成像如图2-4-9所示。车载激光雷达的类型图2-4-9面阵式激光雷达及成像激光雷达的应用领域目前众多行业中，大致可分为如上表中几大类型：低速室内场景、低速室外场景、高速室外场景；其中高速室外最为典型的代表就是自动驾驶汽车，该项技术难度高，相对于高速室外场景来说，室内、外低速较容易实现，包括车辆的感知、决策、控制、执行、相比乘用车来说都相对简单，同时也不用考虑乘客的舒适感。如图2-4-10所示。图2-4-10激光雷达应用领域19实物实物深圳速腾聚创公司16线激光雷达是典型机械式激光雷达，实物如下图所示。图2-4-11激光雷达实物当激光雷达扫描平面墙体时，呈现出类似双曲线分布轮廓图。16线激光雷达在圆形环境中扫描一周的路径为若干个向上或向下的圆锥面，其形成的点云图为为圆形，当扫描的环境不为圆形时，其点云图为所有圆锥面与扫描环境的交线。因此，当激光雷达扫描平面墙体时，矩形面与圆锥面的交线为一系列的双曲线，如图2-4-12所示。实物图2-4-12激