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第十三讲 | 更懂中国的77GHz毫米波雷达驾驶辅助系统
更懂中国的77GHz毫米波雷达驾驶辅助系统
时间：12月6日 周二 晚20:30-21:30
地点：微讲座信群直播
online speech 主讲人 董事长 苏州安智汽车零部件有限公司
郭健 博士
本期微讲座内容： 近年来国内涌现了一批研发毫米波雷达的公司，传感器硬件研发取得了较大的突破。但硬件背后的信息处理算法，尤其是承接雷达传感器采集的道路交通环境信息后的感知数据信息处理与功能化特征数据描述、协调控制发动机、制动、转向等电控系统的预期控制的决策与运动学动力学控制算法，目前国内尚缺少专业化公司进行工程化软件开发，形象的比喻即为毫米波雷达具有了眼睛，但尚缺乏大脑。故，77GHz毫米波雷达的量产化一直迟迟未能落地，多数停留在雷达探头的技术层面，无法为国内整车企业提供完整的雷达产品解决方案。 1、77GHz毫米波雷达量产化系统构架研发 2、77GHz毫米波雷达天线设计及信号处理关键技术突破 3、面向驾驶辅助系统的环境感知假设层 4、仿熟练驾驶员操纵行为的全速ACC自适应巡航控制系统 5、基于周边交通态势流及驾驶员行为意图预估的AEB自动紧急刹车系统 6、77GHz毫米波雷达量产化生产线及车型匹配 郭 健： 吉林大学汽车工程学院博士，现为苏州安智汽车零部件有限公司董事长。在校期间，表现优异，作为项目负责人，结合国家高科技研究发展计划，开展了一系列技术研究，所带领的项目获得了科技部的整体嘉奖。毕业后，作为苏州博世中国区驾驶员辅助系统工程部的客户项目软件经理，针对国内客户以及全球雷达项目开发需要，对辅助系统进行了本地适应化开发。在德学习一年后，来苏创办了安智汽车公司，在业内受到一致认可。作为唯一一家国内自主研发驾驶员辅助系统汽车零部件供应商，安智汽车受邀参加了中国（上海）汽车工程年会，并对77GHz毫米波雷达进行了新品的发布。
以下是微讲座的精彩问答环节全文速记：
提问1：77Ghz毫米波雷达对行人如何检查？识别概率和精度多大，受天气影响，性能是否下降。
郭健：毫米波雷达在150米以内，街边行走的行人，只要他在前方雷达波束之内均可以识别，通过接收到的回波信息，并辅之后端的雷达信号处理算法及道路算法，还可以根据人的运动状态进行危险程度的识别。在有效的探测距离内，我们人的识别程度应该是接近百分之百。然后基于77GHz毫米波雷达的波长，并且分辨率极高，我们两个目标相距0.3米即可分辨出两个目标，从而避免了诸如人这种反射面特别小的物体的模糊性。
后面这个问题就是说，在雨雪恶劣天气下它会受到一定的影响，但是我们也会看到这个电波的波长极小，由于仍然可以产生一个较好的回波信息，并且我们这个产品设计在前期就考虑到了一个指标余量，更基于我们后端的一些目标识别算法的一些处理，可以在雨雾等较强，杂噪声背景下提取一个有效的目标信息进行准确的定位。
提问2：大面积物体，具体识别是大面积物体的那个点做为目标点的？
郭健：这是一个在物体识别里面非常好的一个问题。大目标物体主要考虑的是其反射点在Y方向，就是说车辆纵轴方向的一个牵引，最理想的情况是选取大面积物体离本车最近的点为目标点，然而实际反射的目标点未必如此，因此我们需要进行修正，修正主要的过程对是大面积物体的候后部轮廓进行一个精确的建模，同时根据所量测物体横纵向速度计算其横摆角，最后根据当前目标点的一个横纵向距离计算其余理想目标点之间的一个偏移量，从而得到这个目标点。
提问3：77GHz测量范围，盲区，精度，俯仰角，方位角（6db）有效范围。
郭健：简单介绍一下我们这个毫米波雷达的技术指标。首先从它的技术指标而言，第一个指标就是说，我们对于多车道、多目标的一个发现能力，我们就能够很精确的识别出本车道和相邻车道的物体信息。
我们的探测距离，我们最远能到160米的探测距离。同时我们距离的分辨率小于3米，我们距离的精度，就是整个雷达的距离精度是在正负0.5米。我们雷达探测的水平方向的一个角度，如果是说我们有两种切换，第一种是我们对远端模式，就是说我们想让我们的雷达变成一个长距雷达，是正负10度。如果我们一个近距雷达的话，让我们的雷达就变成一种中距雷达，我们会有正负30度的水平角度。
我们整个方位角度的分辨率在远端距离是正负0.5度，然后在近端是正负1度。我们的俯仰波束是正负8度。我们的速度分辨率是在0.5米/秒左右，整个的雷达最大探测的一个分辨目标是32个物体。
它的整个工作范围是负的40度到正的85度，完全符合车规级的评价标准。整个雷达的接口是通过CAN总线的接口，也是完全符合ISO11898的标准。
提问4：具体的通讯接口及协议。
郭健：刚才讲了我们的雷达是整个的一个产品，它直接是面向整车厂客户的。因为所有的整车厂客户都是用CAN总线的接口，所以我们的雷达也是通过CAN总线，与整车其它的传感器进行信息的交互。
我们其实采用CAN通讯的接口，主要是接收其他ECU对于我们发送的车辆的信息，然后我们再把控制信息发送到其他的汽车底盘电控的ECU中。比如就像我们接受信号，需要从发动机EMS，变速箱TCU，车身控制单元BCM，电子稳定性控制程序ESP之中去获取，比如车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度、轮速的脉冲、变速箱档位的信息，以及车厢升降，雨刮器的信息等这些信息，来提供给我们整个的上层的决策层算法，进行决策和控制。
谈到发送，我们首先要看一下汽车的执行层的ECU的情况，因为每一家的ESP系统和发动机管理系统是不同的，需要根据下面的执行系统的接口信息来调整我们上层的驾驶员辅助系统毫米波雷达发出信号的情况。比如以最熟悉的一个博世的ESP为例，因为它的ESP之中含有一个非常完善的辅加功能层的一个模块，用于对接驾驶员辅助系统的一个信号，就像我们的ACC系统，就像我们的AEB系统，完全可以发出我们的一个理想的加减速度，包括它的一个使能信号。
而面向其他的一些供应商的信息，可能就是说，需要改变我们里面的一些直接发送的信号，比如我们有可能别人的ESP的信息直接受一些，从理想减速度，转换成理想扭矩的信号等。
比如，我们的EMS的系统，它就需要这些提供给它一个扭矩信号，还有它的一个限制。如果中间有一个协调层，我们直接可以发出理想的减速度，这个协调层会判断是利用发动机反拖制动，还是利用这个ESP的主动增压制动，它本身去协调下面ECU的作动。所以说这个在发出的控制指令之中也是需要整车厂和我们一起努力，去协调它各个ECU的供应商，来把这个接口进行协调。
提问5：安智的77GHz毫米波雷达的批量渠道，价格，货期如何？
郭健：现在我们整个的公司的情况，是与下游供应商，比如成都西科等等几家雷达供应商一个深度的合作。在批量供货方面是没有问题的，因为我们具有国内首条国军标准的微波薄膜组装生产线，产品的一个一致性完全可以满足年产30万套的一个需求，并且在这个需求之上，还有完善的一个产品开发、测试能力，包括它的一个测试实验室，一个暗室，或者电磁兼容实验室的一个测试能力。
我们的成本这一块，由于我们要和国内的整车企业，有项目开发有保密的需求，在这个方面暂不方便透露。
我们很确定的跟大家说，我们自主开发的毫米波雷达比国外顶尖零部件的成熟产品具有低20%30%的一个成本优势。同时，就像我前面讲过的，我们要“更懂中国”，我们在感知层的大量工作的体现，使我们的产品在国内的交通路况下它的适应性更好，从而不会出现一个水土不服的情况，这是在成本一定降低的情况下，我们大量的提高了产品的功能。
供货周期，大家也看到由于我们和下游合作伙伴的一个非常深度的协同，我们现在当然也是由于我们只面向国内整车厂进行供货，所以说我们需要从我们的生产线要走一些认证，估计今年的6、7月份就认证完毕了，就可以立马提供一个年产30万套的一个需求。
这个供货周期的问题，也包含了大家签订一个量产合同，中间我们会有16个月左右的产品匹配的周期，这个产品匹配周期是必不可少的，因为要从产品客户需求的冻结，到与伙伴ECU接口的开发，到系统的性能的一个匹配，到10万公里的一个长距离适应性路试，到系统的精调以及后端下线检测设备的一个开发，所以说我们要整个完成16个月的匹配，所以说在考虑供货周期的时候，我们要充分考虑到驾驶员辅助系统的一个特殊性，它有一个16个月的匹配周期。
提问6：毫米波雷达对安装精度有何要求？安装方式如何？
郭健：我们开发的是一个前向的雷达，我们整个的安装位置需要距地面是300—900毫米，与车辆的中轴线是在正负600毫米之内。安装的角度，与地面尽量呈90度，误差不能超过1度，绕X轴和Y轴的角度偏差不能超过2度，因为超过这个度数的话，我们的雷达里面虽然有安装位置的一个自适应校正，但是超过这个角度我们的算法就无法覆盖掉这种情况，并且角度的偏差太大会导致我们整个的对于静止物体一些误判断，使系统的控制品质急剧下降。
提问7：毫米波雷达的识别区域如何跟着车辆行驶轨迹变化？跟方向盘转角和yawrate的关系是什么？
郭健：这是两个问题，就是说毫米波雷达的识别区域，首先要确定车辆未来行驶运动轨迹，以行驶轨迹为中轴线然后来做的虚拟车道。就如刚才所讲的，我们首先如何确定行驶轨迹，再如何确定我们虚拟车道宽度的一个大小。
对于行驶轨迹刚才我也讲了，我们的行驶轨迹由于雷达只是说通过多普勒效应来判断一个物体，它无法像摄像头那样能够精确的看到一个道路的车道线的情况，所以说我们只能基于雷达对周围物体的历史信息的记录，还有动静物体的位置，包括我们本车的运动状态，进行雷达轨迹的预测。
在近端，我们是利用汽车的方向盘转角、横摆角速度等，然后对本车的运动轨迹进行预测。然后在中端距离的时候，会根据其他车辆的一个历史信息，进行道路曲率的估计。
在道路最远端，我们就可能利用到一些静止物体的信息，比如说路边很多的路桩等等，它们的排列本身是有一定规律的，通过一些路桩，然后一些静止物体的信息来判断远端的曲率信息，这样形成三段的一个叠加，从而很精确判断出我们前方的一个道路轨迹。这种道路轨迹的判断方法使得我们的车，比如在进入弯道，或者是在超车进入快车道的时候，能够很精确的得到我们的汽车一个行驶轨迹，从而防止目标的一个丢失。
得到这个物体行驶轨迹以后它还有一个虚拟车道，其实大家可以简单认为就是说，我们的车是一个刚体，它需要碾过一个车道，最原始的一个虚拟车道，就是左右1/2和车道宽，但是这样来做的话，就是说我们在很多工况下不能有效对物体进行一个识别和释放。比如说我们的汽车在插入一个快车道的时候，我们就是说像汽车的左方并道进入一个快车道。在这种情况下就需要我们虚拟车道的左半部分加大它的一个权重，相当于它的左半部分它的宽度加大，相应的右半部分是缩小。
这样就是左半部分的车道车辆可以快速识别为我本车道的物体，还有我原来车道，就是我的右半部分的一个车可以快速的释放，从而在整个切换过程之中控制非常的平滑。
提问8：毫米波雷达如何识别静止物体，如何识别是什么物体？用于侦测行人的，国内有开发吗？
郭健：雷达本身是能够探测物体前方的相对速度，同时对于本车的车速进行估算，然后能够得到前方物体相对大体的一个绝对速度。但是由于量测与估算存在误差，实际上绝对速度在一定的阈值范围之内的物体会被认为是静止物体，而阈值也与本车的车速等行驶工况很多方面有关。
识别静止物体并不是难点，而如何剔除与行车安全不相关，但有可能产生误识别甚至误操作的静止物体要更为关键，这类物体包括隧道、路牌、路面起伏等等，如何从有限的数据之中提取出不同物体特有的特征，是较为困难的一个地方。
现在国内和国际上也有人在做79GHz的毫米波雷达用于监测行人等等，这一块可能是受限于我自己的知识储备吧，我可能了解的比较少一些。这个问题我们可以私下再共同讨论，共同去寻找答案。
提问9：77GHz雷达有哪些关键指标，在实验环节怎样保证性能可靠，在生产制造环节，怎样保证产品一致；前向在弯道上的解决方案？
郭健：刚才前面我也对77GHz毫米波雷达的一些关键指标进行了一个详细的介绍，所以说我就不再重复了。我就重点回答一下在实验环节和生产环节怎么保证产品的一致性，在这个方面我们简单的聊一下这个事情。
刚才一直讲，我们跟我们的硬件合作伙伴深度绑定，就是说我们的硬件合作伙伴也是基于长期的军品设计开发平台，其思路也是借鉴军品可靠性的设计，考核流程，从元器件的选用、热环境仿真设计、无故障间隔设计预计等方面，做了大量的工作。同时结合车辆平台工作特点，把可靠性的设计贯穿在整个的产品实验生产的流程之中，采用了电磁兼容设计，冗余设计，抗电源浪涌设计，抗震设计等多项措施，保证产品的可靠性。
制造环节，也是基于多年的军品微波产品的研发生产能力，及检验验证流程，从组装测试检验，建立了一整套的质量控制体系以及硬件测试平台。刚才我也讲了，也是国内首条军队标准的微波薄膜组装生产线，其产品的一致性得到了非常好的保障。
前向在弯道上的解决方案，我不知道这个问题是问的是功能方面还是什么，我可能理解不是太好。如果从功能上讲的话，在于前面有一个问题，我详细的阐述了一下我们的毫米波雷达在轨迹预测和虚拟车道变换的时候充分考虑到弯道的情况，从而就是说避免了我们的系统在弯道的时候容易丢失物体，产生突然加速的危险情况。所以说我们在弯道上是有一个非常完善的解决方案的。
提问10：雷达如何辨别铁面板和限高架？
郭健：刚才我给大家介绍的就是说，我们的雷达有一个探测的俯仰波束是正负8度，所以说，对于地面的铁板，比如我们的限速带和限高架都有很多回波的反射。但是这些东西很多时候对于我们的干扰，在我们的感知层里面做了一个大量的控制算法去处理这些东西，在这个地方由于控制算法也特别的复杂，还有感知的算法，感兴趣的我们可以私下交流，或者是来我们公司同我们整个的技术团队做一个技术交流都可以。
提问11：作为变道辅助功能上77G和24G，有哪些优势和劣势；77G同比24G应该有很大的开发难度，主要体现在哪些问题上？
郭健：当然在变道辅助功能上其实现在国内很多人都是开发用24GHz的，因为本身变道辅助不像前向功能，如ACC、AEB对物体的探测精度、距离等有很高的要求，24GHz的雷达完全可以满足变道辅助方系统的功能需求，然后综合其在成本方面的优势，24GHz产品在变道辅助上有比较大的优势。
当然也如前面所讲的，它在探测精度和探测距离上完全比不上77GHz的毫米波雷达。但是就这个变道辅助功能而言，24GHz的雷达在成本和功能平衡方面是具有无可替代的一个优势。
下面我回答一下开发难度的问题，众所周知77GHz的雷达它的波长更小，其电磁波产生的电磁辐射电磁线路加工工艺以及精度都有很高的一个水平，以天线为例，采用微带阵列天线它需要直接印刷在微波印制板的表面，由于极高的频率和极小的波长，使得在设计之中任何一个参数的偏离，引入的指标变化比24GHz的效益更为明显。印制板的接电场数、板材物理尺寸、印制限宽等任何一个参数，都会导致信号传输特性的一个改变，造成功率的下降，天线方向度一个偏差，以及等效辐射功率的下降等指数参数的一个恶化。同时，更高的频率对设计要求更高，在极高的频段需要更加充分考虑到各个器件的参数细微变化带来的各种效应。所以说整个的设计，这种极高频段对于天线的装配，天线加工的精度等等提到了一个很高的水平，所以说主要体现在这些问题上。
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