碰撞緩解煞車系統(CMBS)可以拯救無數人的生命,防止人們受傷,確保更少的財產損失,還能使保險費持續下降。

雖然我們在走向自動駕駛汽車的道路上還沒有做好技術準備,但近期在汽車中卻能擁有安全電子產品。雷達、光達(Lidar)和攝影機視覺整合在現代汽車中正變得越來越價格合理。

以下討論在雷達和光達系統方面,即將進入到現代汽車中的先進電子系統。我們先從德州儀器(TI)最近剛剛發佈的最新創新之一—針對汽車和工業應用的最新毫米波(mmWave)感測器開始。

先進駕駛輔助系統(ADAS)

今天的ADAS功能是由包括攝影機、雷達和光達在內的一系列感測器技術實現的。設計人員現在可以高效地開發出諸多先進的安全功能,比如正面碰撞警告、盲區檢測、行人檢測和自動駕駛功能。攝影機被廣泛用於物體識別,而採用射頻(RF)電磁波的雷達則被用於測量距離;光達使用雷射光束測量距離,也可以用於識別物體。掃描光達系統可以用來檢測道路上或道路旁的物體,並且能夠填補使用雷達和攝影機時存在的已知盲區。

毫米波雷達

增強駕駛安全性從而避免事故發生,要求我們檢測車外物體的距離、速度和角度。理想情況下希望系統能夠在雨、霧、灰塵、光亮和黑暗等惡劣環境條件下正常工作,而真正出眾的附加功能是能夠穿透玻璃、塑膠和其他材料的多樣性檢測能力,並且能夠滿足車內或車上的系統性能和佈局要求。從我可以見到的當今技術來看,只有毫米波能夠滿足所有這些條件。

我對於產業內毫米波技術性能的快速演進感到非常樂觀,因為在即將到來的5G通訊標準中,毫米波也是一個關鍵需求。像波束控制(beam control)等創新正是5G為毫米波帶來的額外好處。

當然,毫米波技術已推出很長的時間,特別是在通訊產業。然而,這種技術在汽車和工業領域應用還缺少一些關鍵的性能。對設計人員來說需要有更高的精準度、更小的尺寸、更低的功耗和更快的上市時間。今天的毫米波技術很複雜,一個系統需要採用多晶片的解決方案,比如發射器、接收器、ADC/DAC、處理器和放大器。

TI毫米波雷達解決方案

TI正在開發一種單晶片的毫米波解決方案,工作在76~81GHz頻譜,其射頻電路、微控制器、DSP和介面都整合在一顆裸晶上。這種解決方案中最值得稱道的地方是,從一開始設計就考慮了汽車應用。我採訪了TI雷達部門的總經理Sameer Wasson,他向我詳細介紹了TI最新的IC系列產品。

實際上這是一個5顆晶片的產品組合,設計人員可以方便地從中選出適合他們系統架構的特定產品。當然,快速上市和強健性的設計是必需的,TI在這方面從未落後:設計和開發工具也非常豐富,比如mmWave Studio軟體、mmWave線上培訓、單一軟體發展套件/通用軟體,以及諸如評估板和參考設計等開發工具。

我從未停止過對IC設計人員能向低功耗、高性價比的微型CMOS晶片中整合什麼感到驚訝,在本例中還是個很高頻的IC。TI的Kilby Labs創新一直是業內電子設計人員的推動器。先進的混合訊號電路、超低功耗的電晶體,以及如此多的獨創性使得這些IC在電路設計人員的手中熠熠生輝。

中長距雷達

第一款IC是用於中長距雷達的AWR1243射頻晶片,可用於汽車緊急煞車、自我調整巡航控制和自動高速行駛。

接近感測

接下來是具射頻和微控制器的AWR1443,用於實現乘車人員檢測、人體感測器、車內手勢識別和駕駛監視等應用中的接近感測。

超短距和短距雷達

最後還有包含射頻、微控制器和DSP的AWR1642,用於超短距和短距雷達。這樣的應用包括盲區監視、車尾碰撞避免/告警、變換車道輔助、行人/自行車檢測、避免碰撞、十字路口交通提醒、360o全景和停車輔助。這個IC可以檢測以車輛為中心半徑為100公尺範圍內的環境,正是這種功能實現了自動駕駛。這個IC包含DSP、具CAN和CANFD的RAM,可以做到車輛周圍精確的3D網格建立,從而實現不同的輔助和安全功能。

動態多模操作

透過在汽車系統中整合AWR1243、AWR1443和AWR1642,設計人員可以建立一個動態的多模作業系統,其中的感測器能夠從餐車場景切換到高速行駛、低速操控和停車場景。感測機制必須隨著行駛條件而改變——行駛條件從高速公路到城市道路或停車場是不同的,這些感測器能夠每隔幾毫秒進行重新配置,以適應這些不同的動態區域,這些感測模式從幾毫米到幾百米不等,以便適應靜止物體或速度高達300km/h的移動物體(圖1)。

20170814NT01P1 圖1 這些IC解決方案可以說明汽車產業的電子設計人員實現符合2級自動化及以上感測需求的雷達感測器。

亞德諾(ADI)雷達解決方案

2017年2月,ADI發佈了Drive360 28nm CMOS雷達技術平台。該平台採用的成熟ADAS、MEMS和雷達技術產品組合在過去20年中已被廣泛用於整個汽車產業。

2017年4月,名為Renesas Autonomy的ADAS平台被推出。與此同時,ADI宣佈與瑞薩(Renesas)合作開發一款系統級的77/79GHz雷達感測器展示裝置,可用來改進ADAS應用。目前ADI已有一款24GHz的SiGe BiCMOS晶片組,但他們正在計畫開發一種針對未來應用的7xGHz RF CMOS系統解決方案。

光達

最近我採訪了ADI汽車安全部門的總經理Chris Jacobs。Jacobs告訴我,ADI解決方案在過去20年中利用其電子與感測器技術挽救了許多生命。該公司的慣性MEMS感測器被設計進氣囊技術(從1993年開始,和ADXL50 MEMS元件一起)和電子穩定性控制應用(圖2)。

20170814NT01P2 圖2 ADI如今在高性能MEMS、射頻/毫米波,以及光子/光學技術領域擁有核心競爭力。

在過去15年中,ADI的24GHz和77GHz汽車雷達戰果輝煌,在2016年11月又收購了Vescent Photonics的固態雷射光束控制技術,因此在高性能MEMS、射頻/毫米波(透過收購Hittite),以及光子/光學技術領域擁有核心競爭力。

具備波束控制的ADI光達

隨著ADI收購Vescent Photonics的非機械式固態雷射光束控制技術,光達系統變得更小、更具強健性,並成為汽車中一個更加實惠的功能。

20170814NT01P3 圖3 重視雷達性能的原因。

設計人員希望所實現的掃描系統能像駕駛的眼睛一樣工作,使用智慧自我調整掃描技術完整地流覽感興趣的窄/高解析度區域,並模仿具有動態視野(FOV)的人類駕駛眼睛,進而最佳化資料匯流排的使用。

現在固態掃描系統無需活動的機械元件就能實現(圖4)。

20170814NT01P4 圖4 距離可達70m的電壓可調類比折射專利技術。

圖4展示了二維液晶(LC)波導控制的波束架構的工作原理。電極可以做進波導平面內的稜鏡中。為了控制光束,稜鏡折射率可以相對周圍區域的折射率進行調整,在非正常介面,折射率可以透過Snell定律進行調整。

這種架構支援精密的即時映射,可用於先進的碰撞檢測和自動駕駛應用。光達可提供距離和物體識別資料,而成為感測器融合架構中的核心元件,另外,光達設計提供連續掃描,並且不會有盲點。

Velodyne的Velarray光達感測器

Velodyne最近發佈了一款小尺寸的Velarray光達感測器。這種新元件可以嵌入自動駕駛汽車和ADAS系統,還可以與自我調整巡航控制一起使用。

20170814NT01P5 圖5 Velarray光達感測器。

這種新的光達感測器採用了Velodyne的專利特殊應用積體電路(ASIC),可以125×50×55mm的小封裝尺寸提供高性能,可嵌入汽車的前面、側面和各個角落(圖6)。

20170814NT01P6 圖6 Velodyne小尺寸ASIC。

這種感測器可以提供水平方向達120o和垂直方向達35o的視角,即使是對低反射率的物體也能達到200m的探測距離。Velarray感測器可以達到汽車完整安全性等級ASIL B,支援L4和L5自動駕駛汽車和具有ADAS功能的汽車的安全操作,當大批量生產時,目標價格為數百美元。

20170814NT01P7 圖7 Velarray感測器功能。

巴塞隆納國際汽車展

我想回顧一下在2017年5月舉辦的有趣的歐洲汽車展會——巴塞隆納汽車展(Automobile Barcelona)。這次展會設置了一個「連網街區」(Connected Street),可以為參展者提供第一手機會,測試在汽車領域中發展的最新技術。該「連網街區」有四個主題:自動駕駛、電動車(eMobility)、聯網汽車,以及虛擬實境(VR)。下面介紹其中的兩個主題:

體驗1:使駕駛變得更輕鬆

在這個環形線路上,參觀者可以有15分鐘的時間測試最新的前瞻技術,包括:停車輔助、緊急煞車、資訊娛樂、盲點偵測系統和交通號誌識別等。

體驗2:電動車技術

參觀者可以在「連網戲院(Connected Theatre)」這個區域測試電動汽車,並參加投資自動駕駛系統的品牌公司提供的展示和音視訊展覽。

圖8是1929年第一屆巴塞隆納車展上拍攝的老照片;該展會創立於1919年。

20170814NT01P7 圖8 1929年舉辦的第一屆巴塞隆納車展。

贊助「連網街區」的品牌車廠有Honda、Hyundai、KIA、Mercedes-Benz、SEAT、Smart和Toyota,合作方是Servei Catala de Transit (Traffic Services of Catalonia)。

我確實還沒有準備好坐進任何類型的自動駕駛交通工具——不管它是行駛在美國亞利桑那州沙漠或紐約城市道路上的汽車,還是在杜拜上空飛行的無人機,但我的下一輛汽車一定要有全部的ADAS功能,而且最好還是輛電動汽車。