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Marta Martínez Vázquez
Marta Martínez Vázquez
Senior Staff Engineer

雷达收发器:ADAS 和自动驾驶的关键组件

架构演进

在前几篇雷达系列博客中,我们介绍了如何通过增加传感器和雷达模块的数量来提高自动驾驶和安全性水平。未来几年,雷达模块将主要分为以下三个层次:基本配置(仅带 1 个前视雷达、自动驾驶等级 L1、NCAP(新车评估项目)1-4)、标准配置(自动驾驶等级 L2+、NCAP 4-5)、高级配置(自动驾驶等级 L3-L4、NCAP 5),如图1 所示。

 

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Automotive radar for different NCAP and levels of autonomous driving

图1. 不同 NCAP 和自动驾驶等级的汽车雷达

随着车辆功能的集中化,中央计算单元的性能也在飞速发展。如果不直接在传感器模块执行计算,还有其他更高效处理数据的方法:这就是汽车 E/E 架构向分布式架构演进的原因。完全分布式架构预计将于 2030 年后实施,但在这之前,市场将出现实施部分功能的过渡型号。

首先是用于 ADAS 等特定功能的 域控制器:域控制器的数量越多,汽车的自动驾驶等级越高。为了满足自动驾驶等级 L2+ 的要求,在 域控制器的基础上还引入了 Zone 控制器:车辆中央计算机通过 Zone 控制单元连接至传感器,即集中式 E/E 架构。演进过程如图 2 所示。在此过程中,软件复杂性呈指数级增长,车辆也需要大容量网络。

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E/E architecture mega trend

图 2. E/E 架构大趋势(来源:David Xu,瑞萨电子)

借助新型 E/E 架构,图 3 所示的部分雷达处理将不在雷达模块进行(边缘计算),而是通过离域化实现更高效的计算。每个模块或控制单元的处理量将由所需性能和可用架构来确定。

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Radar processing steps

图 3. 雷达处理步骤

智能雷达传感器

当前的雷达架构基于一组分布于车辆周围的独立雷达模块。如图 4 所示,每个模块均自带雷达收发器且能够处理板上检测到的数据(通过单芯片、或者同一模块内的独立MCU或 SoC)。

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Smart sensors with edge processing

图 4. 采用边缘处理的智能传感器

接下来,处理后的雷达数据将从各“智能雷达传感器”传输到远端域 控制器,并通过 CAN 总线进一步处理和融合。不同处理步骤和执行位置如图 5 所示。

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Radar signal processing with smart radar sensors and domain control unit

图 5. 采用智能雷达传感器和 域控制器的雷达信号处理

如果使用了足够多的传感器,还能识别车辆环境中的障碍物。如图 6 所示,ADAS ECU 将接收前视长距雷达检测到的物体信息、来自四个角雷达/中距雷达的信息,以创建周围环境的完整图像。

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Example of radar architecture with smart sensors and domain controller

图 6. 智能传感器(边缘处理)和 域控制器的雷达架构示例

卫星雷达传感器

随着集中式计算架构的引入,部分雷达模块的数据处理可能会在未来实现离域化,从而使雷达模块不再“智能”:这些卫星雷达单元仅对接收到的雷达信号执行有限处理(例如距离 FFT),随后将这些数据传输到远端 ECU(或 Domain/Zone 控制器),如图 7 所示。

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Satellite sensors with central processing

图 7. 采用集中式处理的卫星传感器

ECU 接收到来自不同卫星雷达模块的预处理数据后,可针对各数据集执行主要雷达处理步骤。处理结果要么进行融合,要么与来自其他传感器的信息相结合,以提高检测的准确性。不同步骤如图 8 所示。

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Radar signal processing in satellite radar and central ECU

图 8. 卫星雷达和中央 ECU 中的雷达信号处理

首次实施这种带卫星雷达模块的集中式架构时,数据将通过车辆的以太网骨干网传输到 ECU。对于需要大量雷达的应用(前视雷达或成像雷达等),仍将使用智能传感器,并在边缘执行全部雷达处理。同时,数个卫星雷达将分布于车辆周围以提供 360° 环境感知。在图 9 所示的架构中,角雷达和超短距雷达采集到的数据将经过预处理、压缩(如需),然后发送到 Zone ECU 以执行进一步计算。

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Example of radar architecture with satellite modules and remote processing on zone-based ECUs

图 9. 带卫星模块和远程处理 ECU(基于 Zone)的雷达架构示例

采用集中式处理架构的卫星雷达模块具有广泛优势。

一方面,卫星雷达模块结构相对比较简单,节省了尺寸和成本。必要时,更易于维修和升级。如果模块的安装位置靠近可能达到高温的其他车辆组件(如前照灯),还有助于减少散热问题。

通过车辆的以太网骨干网进行数据传输,可优化线缆的成本和重量。当然,以太网传输必须采取安全措施。数据将以易于存储和处理的格式,与来自其他传感器的数据一起进行传输。

在车辆控制单元进行处理,不仅能够更高效地处理雷达数据,还适用于更复杂的操作:传感器数据融合(如摄像头或激光雷达)、机器学习和人工智能,有助于优化环境的感应和表征、实现更高水平的自动驾驶。

比较和结论

车辆的 E/E 架构正在向集中式计算解决方案演进。在未来几年中,将同时存在不同架构、并组合使用智能传感器和卫星雷达模块。下表列出了“智能传感器”VS“集中式(卫星)传感器”的主要区别。

表 1. Smart sensors vs. satellite sensors

Radar Module "Smart Sensor" Centralized (Satellite)
Processor location Radar module/chip Zonal/Central ECU
Radar output Processed data (objects) Processed data (point cloud) Raw data/Range FFT
Network type CAN 100Mb Ethernet Gb Ethernet

如前所述,朝向更高计算性能的集中式架构过渡需要在整个车辆中实现高速链路:该架构近期将依赖于车辆的以太网骨干网。但从长远来看,未来几代雷达正在考虑 MIPI 或 A-phy 等替代方案。

瑞萨致力于提供面向未来汽车的尖端解决方案,包括基于 R-Car Gen4系列的 ECU 以及用于智能雷达和卫星雷达单元的创新组件。

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