雷達(dá)架構(gòu)：如何連接不同的雷達(dá)傳感器

架構(gòu)演變

未來幾年，雷達(dá)模塊將從基本配置（僅具有 L1 級(jí)自主性和 1 至 4 NCAP（新車評(píng)估計(jì)劃）評(píng)級(jí)的前視雷達(dá)）發(fā)展到高達(dá) L2+ 級(jí)自主性和 NCAP 4- 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車為 L3-L4 級(jí)，高級(jí)車為 NCAP 5，如圖 1 所示。

隨著車輛功能的集中化，中央計(jì)算單元的性能預(yù)計(jì)將快速增長(zhǎng)。因此，如果計(jì)算不是直接在傳感器模塊中執(zhí)行，則可以以更有效的方式執(zhí)行數(shù)據(jù)處理。這導(dǎo)致汽車 E/E 架構(gòu)向分布式架構(gòu)演進(jìn)。當(dāng)然，向完全分布式架構(gòu)的遷移需要很長(zhǎng)時(shí)間，預(yù)計(jì)將在2030年之后完成。但在此之前，市場(chǎng)上將會(huì)出現(xiàn)一些部分實(shí)現(xiàn)。

首先，一些域控制器用于特定功能，例如 ADAS。那么域控制器的數(shù)量將會(huì)隨著汽車的自主水平而增加。根據(jù) L2+ 級(jí)自治的要求，區(qū)域控制器將與域控制器一起引入，從而形成最后一步，即集中式 E/E 架構(gòu)，其中車輛的中央計(jì)算機(jī)通過區(qū)域控制單元連接到傳感器。這種演變?nèi)鐖D 2 所示。當(dāng)然，這也伴隨著軟件復(fù)雜性的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，并且需要車輛中的高容量網(wǎng)絡(luò)。

隨著新 E/E 架構(gòu)的推出，圖 3 中所示的部分雷達(dá)處理將不會(huì)在雷達(dá)模塊上進(jìn)行（邊緣計(jì)算），而是會(huì)進(jìn)行離域處理，以實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算。每個(gè)模塊或控制單元中的處理量將由所需的性能和可用的架構(gòu)決定。

智能雷達(dá)傳感器

當(dāng)今的雷達(dá)架構(gòu)基于一組分布在車輛周圍的獨(dú)立雷達(dá)模塊。每個(gè)模塊都有自己的雷達(dá)收發(fā)器，并且能夠使用單個(gè)芯片或同一模塊上的單獨(dú)微控制器或 SoC 來處理板上檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，如圖 4 所示。

然后，處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)從每個(gè)“智能雷達(dá)傳感器”傳輸?shù)竭h(yuǎn)程域控制單元，以便使用 CAN 總線進(jìn)行進(jìn)一步處理和融合。不同的處理步驟及其執(zhí)行位置如圖 5 所示。

如果使用足夠多的傳感器，就可以識(shí)別車輛環(huán)境中的障礙物。例如，在圖6所示的情況下，ADAS ECU將接收前視遠(yuǎn)距離雷達(dá)以及來自四個(gè)角部短距離和中距離雷達(dá)檢測(cè)到的物體的信息，以創(chuàng)建物體的完整圖像。周圍的環(huán)境。

衛(wèi)星雷達(dá)傳感器

隨著集中式計(jì)算架構(gòu)的引入，未來一些雷達(dá)模塊的數(shù)據(jù)處理可能會(huì)去本地化。雷達(dá)模塊本身將變得不那么“智能”：現(xiàn)在這些衛(wèi)星雷達(dá)單元將能夠?qū)邮盏降睦走_(dá)信號(hào)執(zhí)行有限的處理，例如距離 FFT，然后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程 ECU（域控制器或區(qū)域控制器），如圖 7 所示。

然后ECU將接收來自不同衛(wèi)星雷達(dá)模塊的預(yù)處理數(shù)據(jù)，并對(duì)每組數(shù)據(jù)執(zhí)行主要的雷達(dá)處理步驟。然后可以將獲得的結(jié)果融合在一起，或與從其他傳感器獲得的信息相結(jié)合，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。圖 8 說明了不同的步驟。

在這種帶有衛(wèi)星雷達(dá)模塊的集中式架構(gòu)的首次實(shí)施中，數(shù)據(jù)將使用車輛的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)傳輸?shù)?ECU。對(duì)于一些需要大量雷達(dá)的應(yīng)用，例如前視雷達(dá)或成像雷達(dá)，仍將使用智能傳感器，完整的雷達(dá)處理仍在邊緣進(jìn)行。另一方面，多個(gè)衛(wèi)星雷達(dá)將分布在車輛周圍，以提供對(duì)周圍環(huán)境的360°感知。例如，在圖 9 所示的架構(gòu)中，角落雷達(dá)和超短程雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)將被預(yù)處理，可能會(huì)被壓縮，然后發(fā)送到區(qū)域 ECU 進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

使用具有集中處理架構(gòu)的衛(wèi)星雷達(dá)模塊具有廣泛的優(yōu)勢(shì)。

一方面，衛(wèi)星雷達(dá)模塊變得更簡(jiǎn)單，從而節(jié)省了尺寸和成本。必要時(shí)它們也更容易維修和升級(jí)。散熱問題也減少了，特別是對(duì)于靠近其他可能達(dá)到高溫的車輛元件（例如前燈）放置的模塊。

通過使用車輛的以太網(wǎng)骨干進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以優(yōu)化布線的成本和重量。當(dāng)然，以太網(wǎng)傳輸必須采取安全措施?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)將采用易于存儲(chǔ)和處理的格式，以及來自其他傳感器的數(shù)據(jù)。

使用車輛的控制單元進(jìn)行處理不僅可以更有效地處理雷達(dá)數(shù)據(jù)，而且可以進(jìn)行更復(fù)雜的操作。與攝像頭或激光雷達(dá)等其他傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的數(shù)據(jù)融合現(xiàn)在可用于優(yōu)化環(huán)境的傳感和表征，這將有助于實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)駕駛。

比較與結(jié)論

未來，車輛的E/E架構(gòu)將向集中式計(jì)算解決方案演進(jìn)。未來幾年，不同的架構(gòu)將共存，同時(shí)使用智能傳感器和衛(wèi)星雷達(dá)模塊。下表總結(jié)了主要差異。

表 1. 智能傳感器與衛(wèi)星傳感器

如前所述，向具有更高計(jì)算性能的集中式架構(gòu)的遷移將要求整個(gè)車輛具有可用的高速鏈路。在不久的將來，該架構(gòu)將依賴于車輛的以太網(wǎng)骨干網(wǎng)。然而，未來幾代雷達(dá)正在考慮使用 MIPI A-phy 等替代方案。

瑞薩電子致力于為未來車輛提供尖端解決方案，包括基于 R-Car Gen4 系列的 ECU 以及用于智能雷達(dá)和衛(wèi)星雷達(dá)單元的創(chuàng)新組件。