Думаю многие из вас, уважаемые читатели, слышали, читали или видели беспилотные автомобили. Сейчас беспилотным авто сложно удивить, т.к. они уже ездят по дорогам общего пользования.
Беспилотники оснащены большим количеством различных датчиков, которые позволяют им контролировать внешнюю обстановку и оперативно реагировать на происходящие события. Практически все слышали об ультразвуковых автомобильных датчиках, камерах, оснащенных искусственным интеллектом, а также лидарах, которые позволяют беспилотнику построить 3D-картинку того, происходит вокруг.
Однако немногие знают, что в ряде современных беспилотных автомобилей применяются радиолокационные датчики (РЛД) или РАДАРы. Автомобильные РЛД прошли долгий эволюционный путь длинною более 50 лет, чтобы прийти к современному состоянию...
Первые испытания автомобильных радарных датчиков (РЛД) датируются второй половиной 50-х годов 20 века, а в 70-е годы всё внимание было сконцентрировано на исследованиях применения РЛД в СВЧ диапазоне. В последующие десятилетия учёные и инженеры экспериментировали с устройствами, работающими на частотах в 17 ГГц, 24 ГГц, 35 ГГц, 49 ГГц, 60 ГГц и 77 ГГц. Столь пристальное внимание принесло множество открытий в сфере обработки сигналов РЛД в миллиметровом диапазоне длин волн.
В 90-е годы концепция предотвращения аварий стала не только вполне осязаемой, но и готовой к выходу в массовое производство. Так, американская компания «Greyhound» встроила в начале 90-х годов более 1600 радарных систем (24 ГГц) в линейку своих автобусов. Как показала практика, это новшество сократило количество аварий за год на 21%.
Но производители на этом не остановились, включив в перечень задач не только безопасность, но и комфорт. При этом стоимость конечного продукта должна была оставаться достаточно привлекательной для потребителя. В скором времени сенсорные технологии нашли применение в системе автоматической парковки, системе предотвращения аварий и адаптивном круиз-контроле (АКК). Впервые японские автомобильные компании представили систему АКК в 1995 году.
Уже в 1999 году «Mercedes» представил 77-гигагерцовый радар «Distronic» для машин S-класса. В дальнейших линейках АКК можно было встроить по желанию покупателя. Однако их японские конкуренты «Honda» и «Toyota» взглянули на АКК под другим углом, совместив комфорт и безопасность. Стандартные АКК предлагали систему гладкого торможения, а «Honda» и «Toyota» в 2003 представили систему помощи при экстренном торможении (Brake Assist System) для предотвращения столкновений (в дополнение к АКК) на основе 77 ГГц радара дальнего диапазона (LRR). Система обеспечивала эффективную работу вакуумного усилителя тормозов, которая срабатывала при распознании угрозы, снижая возможность аварии, даже если водитель начинал торможение поздно.
Одним из этапов эволюции систем безопасности является переход к прогностическим моделям, т.е. получение дополнительных миллисекунд в запасе для реагирования и автоматической активации соответствующих мер защиты. Компания «Bosch» назвала такую систему прогностической системой безопасности (Predictive Safety System - PSS). План развития систем «Bosch PSS» состоял из трех этапов:
- В начале 2005 г. в серийное производство была запущена система экстренного торможения «Predictive Brake Assist» (PBA) для модели «Audi A6», представляющая собой первое поколение PSS. На основании информации, поступающей от датчиков AКК, система распознает критическую ситуацию и незаметно для водителя перемещает тормозные колодки ближе к дискам, готовясь к возможному аварийному торможению.
- Следующим этапом развития подобных систем стала функция превентивного реагирования на столкновение «Predictive Collision Warning» (PCW): если после вмешательства PBA вероятность тылового столкновения все еще сохраняется, система предупреждает водителя об опасности, инициируя легкое, но ощутимое торможение. Выход PCW на рынок состоялся в 2006.
- Третье поколение PSS получило название «Predictive Emergency Brake» (PEB). В этой версии наряду с радаром дальнего действия используется дополнительная сенсорная система – видеодатчики.
«Bosch» уже удостоился награды «Gelber Engel» за свою систему PSS немецкой автомобильной организацией ADAC в категории «Инновации».
Вопрос стандартизации радиочастот для радаров и радарных систем стал весьма актуальным в современном мире. В Европе для радаров, работающих в диапазоне 76 — 77 ГГц, был выделен и закреплён канал ещё в 90-е годы (ETSI EN 301 091). Сейчас этот канал выделен для Интеллектуальных Транспортных Систем (ИТС) в Европе, Северной Америке и Японии.
В марте 2004 Евросоюз выделил частотный диапазон 77 — 81 ГГц для радаров ближнего действия.
Основными параметрами автомобильного радара являются: дальность обнаружения, диапазон определяемой скорости, угол обзора, разрешение.
В зависимости от значений указанных характеристик автомобильные радары подразделяются на устройства ближнего (SRR), среднего (MRR) и дальнего действия (LRR).
Одно из главных требований к радарам дальнего действия – покрытие зоны до 150…200 м.
Главные компании-производители радаров, работающих на частоте 77 ГГц – «ADC» (дочерняя компания «Continental Temic» в сотрудничестве с «M/A Com»), «Bosch», «Delphi», «TRW» (Autocruise), «Fujitsu Ten» и «Hitachi».
На рис. 1 представлен радар дальнего действия второго поколения от компании «Bosch». Он был запущен в производство в 2004 году. Размеры системы составляют 74 х 70 х 58 мм3 (В х Ш х Г), в заявленный функционал входит полная система обнаружения и распознавания объектов и АКК. Схема радара включает в себя 4 поликристалла, прикреплённых напрямую к 4-м резонаторам (патч-антеннам) платы ВЧ-диапазона, облучающих диэлектрическую линзу. Моностатический аналог датчика с цифровым лучом работает по принципу формирования одного передающего пучка и четырёх отдельных принимающих, которые частично перекрываются друг с другом по азимуту. Таким образом, достигается итоговое покрытие азимута в ±8 градусов (рис.2).
Радары фронтального обзора с технологией «Digital BeamForming» (DBF) с 77-гигагерцевым частотным диапазоном были представлены впервые на рынке автомобилей в 2003 году японскими компаниями. «Denso» разработал радар дальнего диапазона с планарными антеннами, который способен обнаруживать и распознавать объекты на расстоянии 150 м с углом обзора ±10 градусов (рис.3)
Радарный датчик дальнего действия компании «Toyota» с частотным диапазоном 77 ГГц, (рис.4) объединяет 3 одинаковые передающие антенные решетки и 3 приемные антенные решетки в одну частотную полосу и 9 принимающих цифровых каналов для DBF после разделения в цифровом блоке.
На рис. 5 изображён один из радаров фронтального обзора на 77 ГГц с приемной антенной решеткой, состоящей из 8-ми антенных линеек с последовательным питанием. Передающая антенная решетка состоит из 4-х антенных линеек с последовательным питанием. Ширина главного луча передающей антенной решетки по уровню 3 dB составляет около 26 градусов, коэффициент направленного действия (КНД) антенны составляет около 20,5 dBi.
Стоит отметить, что РЛД диапазона 77 ГГц, а точнее - антенные системы таких РЛД, достаточно чувствительны к своему окружению. На рис.6 для примера приведена диаграмма направленности антенной системы РЛД диапазона 77 ГГц, установленного за передним бампером автомобиля.
Видно, что ДН имеет ярко выраженный боковой лепесток. Для того, чтобы нивелировать влияние этого лепестка на работу РЛД, необходимо проводить калибровку датчика.
В заключении следует отметить, что функциональность 77-гигагерцовых систем АКК расширена до такой степени, что включает даже возможность полной остановки транспорта. Данное нововведение, несомненно, упрочило позиции АКК на рынке. 77-гигагерцовый РЛД нашёл применение не только для повышения комфорта поездки (АКК, Stop & Go), но и для систем предсказания угроз и активных систем безопасности. Точность и эффективность работы датчиков 77-гигагерцовых радаров совершенствуется и развивается, в частности, для снижения частоты ложных тревог и увеличения скорости времени реагирования. Согласно исследованиям, планарные антенны (см. рис.4, рис.5) в сочетании с технологией «Digital BeamForming» могут предложить интересные концепции 77-гигагерцовых радарных датчиков для предотвращения фронтальных аварий. Эти технологии могут стать массовыми в связи с уменьшением стоимости компонентов 77-гигагерцового радара и блоков обработки сигнала.
Радар может использоваться для реализации функций безопасного и комфортного вождения, включая датчики окружающей среды с обзором 360° для распознавания пешеходов, а также для обнаружения объектов вне зоны видимости водителя, ассистента смены полосы движения, датчиков бокового удара и системы предупреждения о возможном столкновении при движении с малой скоростью, автоматизированного вождения.
Источники, использованные при подготовке материала:
- «Совершенствование систем помощи водителю (ADAS) и беспилотного вождения с помощью автомобильного радара миллиметрового диапазона», аналитический доклад Keysight Technologies.