如何利用毫米波雷达和图像传感器构建智能驾驶控制系统？

　　智能交通系统（ITS）建立在网络化的信息通信技术的基础之上，以实现交通管理的最佳化和道路的有效利用为手段，提高行车的安全性、舒适性以及道路的运输效率。据报道，日本在先进安全自动车（Advanced Safety Vehicle， ASV）概念中，把ITS所需要的重要驾驶支持系统归纳为包括如下方面：
　　*防止碰撞前方障碍物的支持系统；
　　*防止进入弯道危险速度支持系统；
　　*制动并用式车间距离定速控制ACC（全速度域控制）系统；
　　*防止越出车线支持系统；
　　*维持车线支持装置；
　　*防止碰撞车辆周围死角障碍物系统；
　　*灯光随动系统（A FS）；
　　*被碰撞预知伤害降低系统；
　　*行人伤害降低及安全气囊系统；
　　*睡意警报装置；
　　*所有座位安全带使用劝告装置；
　　*后侧方和侧方信息提供装置；
　　*紧急制动信息提供装置；
　　*夜间前方行人信息提供系统；
　　构建上述系统需要用于道路环境和车辆状态检测的各种传感器以及用于信息提供、报警及操作支持的各种控制装置。此外，与ASV道路交通和通信信息系统配套的车载信息通信系统（Telematics）要满足两方面的通信需求：1. 与道路信息的协调；2. 与通信系统的协调。因此，以汽车为中心的信息通信技术、先进的驾驶控制系统和环境识别系统是汽车电子发展的下一波热点，其中，核心技术之一就是先进的无线通信技术。
　　本文试图向中国汽车电子、半导体和通信行业的技术人员概要介绍先进的车载无线通信技术在推动智能交通系统的发展中所发挥的作用，从而为中国汽车电子产业的技术升级提供参考。
　　车载无线网关提供统一的信息通信平台
　　目前，领先的汽车制造商已经开始研发针对驾驶员的信息服务系统和信息通信系统。例如克莱斯勒集团和Hughes Telematics公司宣布将提供集合了信息娱乐、安全和远程诊断功能的车载信息通信系统（Telematics）。福特公司将提供配备蓝牙和微软操作系统的汽车。Autonet Mobile公司也计划推出能够为车辆提供互联网接入服务的技术。
　　建立这些系统有望为制造商、零售商、消费者、导航服务提供商以及内容原创公司带来新的附加价值。例如，基于陆地和卫星的技术将为安全、保密、信息娱乐、远程诊断、维护通知和多播提供信息通信服务，最终有可能使远程升级车载系统成为可能。如图1所示，下一代智能交通系统将建立在先进的移动通信、卫星通信和互联网的基础之上。。
　　
　　图1 基于互联网的智能交通系统需要建立完善的车载信息通信系统
　　从上图显而易见，无线通信技术将在智能交通系统中扮演重要的角色。瑞萨科技的专家指出（图2），为了满足基于无线的信息通信系统的需要，汽车中有望出现一个智能交通电子控制单元（ITS ECU），由它通过WLAN和专用短程通信（DSRC， Dedicated Short Range Communication）实现车与车之间、车与路之间的通信。可以想象，3G无线通信有着广阔的应用前景，本文在此不赘述。
　　
　　图2 以汽车为中心的无线通信技术
　　值得注意的是DSRC技术的发展动向。国际上，DSRC标准化体系分为欧、美、日三大阵营所制订。欧洲采用的是CEN／TC278标准、日本采用的是ISO／TC204标准，它们都选择5.8GHz作为DSRC通信频率；美国正逐步地将应用于智能交通领域内的自动车辆识别的频率转向5.8GHz～5.9GHz系统，FCC（美国联邦通信委员会）也正式将5.9GHz频段批准用于专用短程通信。中国目前采用的是源于ISO／TC204国际标准化组织智能运输系统技术委员会（国内编号为SAC／TC268）的5.795-5.815GHz ISM频段。目前，2.45GHz系统应用相对较少，没有形成主流。
　　传统上，DSRC是ITS智能交通系统领域中专门用于机动车辆在高速公路等收费点实现不停车自动收费EFC（Electronic Fee Collection）的技术，也就是长距离RFID射频识别（又称电子标签E-tag）。DSRC标准主要涉及两类设备：路边设备RSU（Road-Side Unit）和车载设备OBU（On-Board Unit）。正是通过路边设备RSU与车载设备OBU之间建立通信，使得装有OBU的机动车辆在中速（50“60Km／h）情况下通过部置有RSU天线的门架时，实现车辆与路边设备RSU的数据交换。
　　国际上，松下电器在CEATEC JAPAN 2006上展出了支持5.8GHz频段DSRC的新一代ITS车载设备，这种通信系统将过去一直用于EFC的DSRC应用范围扩展到了其他服务和安全行驶辅助领域，例如，接收交通拥堵信息等等。该产品预计将在2007年度投入实用。
　　此外，推出DSRC芯片方案的还有冲电气工业、东光和TransCore公司。以TransCore公司研制出的Modem为例，它除了具备专用短距离通信功能之外，还能够实现长距离GPS和卫星通信的功能。据报道，该Modem的GPS精确度可达1米，并提供与汽车之间的多路通信通道，能够给车辆提供安全服务，且具有自动预警功能，并不受地域限制。该项技术将使汽车OEM厂商可以开发出完整的预防安全系统，具备火灾自动报警以及防止相撞的功能。
　　利用DSRC技术避免汽车之间的相撞事故是一项尖端的技术研究目标。业内认为，DSRC基础设施网络的建设是一个相当漫长的过程，这为中国半导体行业开发具备WiMAX、DSRC、GPS甚至蜂窝电话通信功能的统一无线网关，促进智能交通系统的发展提供的重要机会。可以预见的是，未来的汽车将成为一个随时随地由无线网络连接的移动通讯平台。
　　利用毫米波雷达和图像传感器构建智能驾驶控制系统
　　据日本Hitachi公司的研究显示，日本和西方国家正在努力开发更为先进的安全技术，其目标是把每年的交通事故和灾害降低30%”50%，为此，要开发一种新型的驾驶控制系统，这种的系统的主要功能包括：
　　*自适应巡航系统（ACC）；
　　*预防撞刹车系统（Precrash Safety System）；
　　*停止和前进（Stop-And-Go）控制系统；
　　*车道保持系统（LKS）；
　　为了实现上述功能，需要采用一系列基于毫米波雷达的环境识别传感器、图像处理摄像机以及新型的刹车、方向盘和其它子系统。其中的关键无线电技术就是毫米波雷达传感器。
　　
　　图3 环境识别技术在汽车中的应用
　　目前，国际汽车半导体厂家在毫米波雷达器件上已经取得了一系列突破。例如，飞思卡尔半导体已经展示了使用硅锗（SiGe）技术的面向77GHz频带毫米波雷达的射频（RF）芯片。该芯片主要面向在部分汽车上配备的车与车之间的间距控制系统及预防撞安全系统等的车间距检测用途。与此同时，飞思卡尔还开发将射频芯片与接口IC、微控制器一起封装的毫米波雷达模块，以及旨在使该模块实现小型化的小型天线。由于通用毫米波雷达将来会成为必不可少的装备，据称，该公司今后还将对毫米波雷达的所有技术进行不断开发。
　　此外，新日本无线公司成功开发了使用76GHz频带的面向车载毫米波雷达的VCO。在AlN底板上形成基于微带线的电路后，通过表面封装耿氏二极管及变容二极管形成VCO。日本村田公司也推出了采用介质振荡器、振荡频率为38GHz的VCO。京瓷不久前也推出了两款用于60GHz频段无线通信和76GHz频段车载雷达等毫米波频段的陶瓷天线。
　　在实际使用的过程中，雷达系统与偏航速率传感器采用一体化设计，配备于车前隔栅后方。成功的案例包括：德尔福最大检测角度为15度的新型巡航控制系统毫米波雷达；雷克萨斯LS460车型使用毫米波雷达和摄像机实现车辆前方障碍物识别功能和后方车辆识别功能；日野为Profia车型增加的标配追尾减轻制动系统，它利用毫米波雷达判断出追尾危险后，发出警报音并起动制动器，通过追尾减轻制动系统中的“预防撞安全系统 ”来防止碰撞。
　　由于毫米波雷达产生的电波能够穿透人体，从而给健康造成不良影响，因此毫米波雷达在能够检测的障碍物方面存在局限性，比如不能将行人作为障物来检测等，只能借助于摄像技术。在这方面，NEC抢占日本市场半壁江山的“预防撞安全”系统市场，该公司利用车载图像识别并行处理器，通过采用结合毫米波雷达及摄像头等多个传感器的信息进行综合处理的方式，检测包括前方车辆及行人在内的立体物体的距离和速度，向驾驶员发出警报，从而减轻冲撞造成的伤害。因此，代表了环境识别技术的发展方向之一。图3为基于毫米波雷达和图像传感器的环境识别技术在汽车中的应用的示意图。
　　结语
　　随着智能交通系统的发展以及驾驶员对信息通信需求的增加，对路-车之间、车-车之间无线通信技术的需求与日俱增。
　　比较而言，传统的车载无线电设备—收音机、GPS、遥控无钥进入、TPMS和GSM/GPRS设备等，都是相对独立的无线电设备。在智能交通系统中，把无线通信技术、车载汽车计算平台、信息显示系统以及驾驶控制系统有机地结合起来，构成统一的ITS ECU或车载信息通信系统（Telematics）平台，将对无线电通信技术提出更高的要求，设计过程中面临的最大挑战在于如何将不同标准和频点的无线电通信设备集成为一体。在此，软件无线电技术将有着无限的应用空间。
　　由于智能交通系统的建设牵涉面广，因此，需要汽车制造商与汽车电子、半导体、通信、软件设计及内容提供等行业开展广泛的跨行业协作。此外，国家的产业政策支持以及相关标准的引导也是至关重要的。