脑洞大开！除了自动驾驶，毫米波雷达还能这么
时间：2019-05-09 | 栏目：MEMS传感器 | 点击：次
从目前的热点来看，提起毫米波雷达，自然会想到自动驾驶。但是，如果把毫米波雷达技术的价值局限在尚未大规模应用的自动驾驶中，那就太过狭隘了。虽然增长迅猛，但事实上，即便是自动泊车（APS）这类应用，由于成本因素，毫米波雷达传感器也只是刚刚启动它的商业机会。这种情况在诸如自适应巡航控制（ACC）、前向防撞报警（FCW）、辅助变道（LCA）、盲区监测（BSD）等ADAS应用中也类似。
在自动驾驶之外，毫米波雷达技术有着广泛的应用，这是其在“传感”丛林中的比较优势所决定的。就以自动驾驶的应用场景为例，目前采用的传感器包括激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、GNSS/IMU等，这些传感器在包括汽车在内的各种应用场景中也很有代表性，而在什么场景使用它们取决于这些传感器不同的特性。
图：各种传感器特性比较
上图解释了为什么摄像传感会被广泛应用到多数场景中，而毫米波雷达也有着广泛适用的前景，而一些特性使得毫米波雷达具有替代或互补摄像传感的可能。比如该技术可以在极具挑战（如明亮的光线和黑暗中）的环境条件下检测到人的位置，而同样的条件下，摄像机会有过曝和欠曝的问题；在需要检测动作的应用中，超声波传感器无法区分人和静物，而毫米波雷达则没有这个问题。此外，与其他传感技术相比，毫米波具有非接触性和非干涉性，可以穿过塑料、干墙和衣服等材料，这使得毫米波传感器可以隐藏在面板背后，放置在室内装饰或车内的其他材料内——想象一下，对于需要隐蔽的监控或感测系统的应用场景而言，还有比这更合适的吗？
事实上，基于自身的特性，除了汽车自动驾驶，毫米波雷达可以广泛的应用于工厂产线、安防监控、医疗设备、箱内液位感测、机器人视觉和无人机等场景，而在MMIC（单片微波集成电路）解决了雷达模块的体积和成本的瓶颈后，其应用场景更加多元。日前，<电子发烧友>应邀在TI的一场有关其毫米波雷达产品的巡演活动中，参观了这些产品在工业（IAW系列）和汽车（AWR系列）两大领域中的应用演示，一些应用场景刷新了笔者的认知，令人脑洞大开。
场景一：智能交通
在智能交通系统中，传感器用以追踪交通拥堵并保持交通畅通，特别是在十字路口和高速公路上。这些传感器必须具备精确性（用于测量车辆或行人的延伸范围，速度和位置）、稳固性（包括在不透气的天气，黑暗和阳光下工作）、整体性（优化实时评估和修正。）和易于使用性（带有参考代码和样本以加速部署）这几个特性。 以监测高速公路上车速以远程发放超速罚单的应用为例，传感器必须能够准确地检测处于不同距离的各个物体的速度，这需要通过设计中增加的Vmax算法而得以实现。这一功能还可以提高传感器监测交叉口的准确性，使其能够更好地预测接近车辆的数量，并启用绿灯控制，减少车辆的启动和停止从而使交通更加流畅，并使得给闯红灯车辆发送罚单变得更容易。而这个场景，毫米波雷达非常适用。
图：这个用例采用的是TI的IWR1642，集成了能够检测物体的DSP——C674x，其ARM R4F处理器则可以随时追踪车辆的行驶距离和速度。该传感器具有35厘米的分辨率，能够检测到距离不超过200米的各种物体，其50厘米/秒速度的分辨率，可以在高速公路单车道上精确地追踪200公里/时及更高限速的车辆，以及限速70公里/时，在有交叉路口绿灯控制和执法的多车道上的车辆。
IWR1642具有120度视野（FOV）15度角分辨率，能够更容易的检测到接近交叉路口的车辆或行人。该传感器还可以留意多个停车位，以便司机知道停车场某车道内是否有车位，或者他们需要换一层楼找寻。这使得它也适用于ADAS。
场景二：工业应用
在工业应用场景中（按TI的分类，汽车之外的应用都属于工业应用），TI演示了其60 GHz毫米波传感器IWR6843的应用。 图：通过和视频传感的融合，可以感测和避免障碍物，或通过收集不同范围、速度与角度的数据来检测和识别手势，实现人机互动。这一应用非常适合工厂和产线的复杂环境。 据TI工业雷达产品营销总监Robert Ferguson介绍，工业场景有很多领域会用到毫米波和摄像传感的融合感测。比如焊接机器人，焊接时的强光对摄像头有非常大的影响。而毫米波不受强光的影响。再比如机械臂、自动搬运工具的工作场景中，人、物混杂，需要设定安全工作区域，如果有人误入，就会报警或者采取措施，这些都可以部署毫米波雷达进行监测。 图：IWR6843是TI首款AOP传感器 IWR6843是TI首款“AOP”（Antenna-on-Package）传感器，由于将天线封装在一起，整个器件的尺寸缩小到75%，降低了系统总成本。IWR6843的带宽高达4 GHz，能够以高于24 GHz窄带解决方案20倍的精度感测到物体、人以及非常细微的运动，甚至是呼吸和打字这样的动作都能感测到。“IWR6843扩展了楼宇和工厂自动化功能，实现了更智能的人员计数、运动感测、机器人技术、安全防护和生命体征监控等。”Ferguson说，“其集成的处理功能使传感器能够减少误报并做出实时决策，从而无需在许多系统中使用外置MCU或CPU。”场景三：体征探测
上文提到的智能交通用例中的WR1642是77GHz毫米波传感器，能够感测到非常细微的运动、甚至是呼吸，从而提示有人存在。这个性能适用于体征探测、测量车门和车身周围的剩余空间和障碍物、车辆承载情况、入侵警报和更智能化的自动泊车。
图：AWR1642可以实现医疗级体征测试（心跳、呼吸）
据TI中国区嵌入式产品系统与应用总监蒋宏介绍，毫米波雷达在医疗级体征监测上有很多场景应用。如病人在深度睡眠、浅度睡眠的不同状态下的高精度的呼吸监测，又如重度烧伤病人，医疗监护仪不能直接接触，对病人呼吸、心跳体征的24小时实时监测就可以用毫米波雷达来实现。另外一个是老年监护，在洗手间这类不适合设置摄像头的地方，也可以布置毫米波雷达。
图：这个演示的上图是车内婴儿检测实验，毫米波传感器被悬挂在天窗上，在可视化图表中检测结果显示为一张热量图，该应用可防止婴儿遗留车内；下图演示检测车辆后方的可能入侵者。该应用还可以通过先进的算法，区分人和移动的物体如风中的树枝等。如果和摄像感测搭配使用，则可以减少误报警的情况。
场景四：汽车应用
图：某方案商采用TI的77GHz MMIC设计的4D雷达，可以达到16线激光雷达的点云成像水平，满足L2-L3级需要。 这个应用令人惊讶，毕竟点云成像一贯是激光雷达的领地。图：通过4个AWR1243级联后，远距离分辨力大大提高，40米处可以做到1度的方位角分辨率，也就是4.5厘米的精度和大约9厘米的物体分离精度。4个3发4收的AWR1243雷达，就是192个天线，这样通过在车身四周角的配置，可以实现自动泊车和高速场景中的360度监测。 据悉，TI为其毫米波雷达产品线提供的SDK包括示例算法和软件库，通过不到20个的简单API来简化RF设计。
附：毫米波雷达在多元场景中的应用
