I sensori radar mmWave stanno sostituendo le tecnologie più obsolete di rilevamento utilizzate nelle applicazioni ADAS, consentendo nuovi casi d’uso come il monitoraggio avanzato del conducente e dei passeggeri.
Con l’aumentare del livello di autonomia nelle autovetture, la scelta del giusto numero e del tipo di sensori diventa più complessa. Oltre alle opzioni di rilevamento tradizionali, la tecnologia radar è quella che, nel corso degli anni, ha avuto l’evoluzione più significativa soprattutto in termini di sicurezza ed efficienza.
Poiché può funzionare in condizioni ambientali estreme come pioggia, neve, polvere e luce solare intensa fornendo anche informazioni precise su distanza e velocità, il radar è considerato la modalità di rilevamento più appropriata per soddisfare i requisiti previsti dal NCAP (New Car Assessment Program). Le architetture dei veicoli fanno sempre più affidamento su sensori radar intelligenti, dove gran parte dell’elaborazione delle informazioni avviene all’interno dei sensori e solo pochi e più significativi dati vengono inviati alle unità di controllo elettroniche centrali.
Il rilevamento radar è diventato una modalità economicamente conveniente per le funzioni dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e per soddisfare i livelli di autonomia del veicolo secondo SAE (Society for Automotive Engineers) 2+ e persino 3+, come mostrato nella Figura 1. La tecnologia radar si sta evolvendo per supportare un più alto livello di guida automatizzata, per maggiore autonomia e risoluzione e per un rilevamento preciso e una decisione rapida. E poiché i sensori radar ora possono supportare più funzioni, gli ingegneri sono finalmente in grado di ridurre il numero di sensori pur aumentando le prestazioni.
Fino al livello 3+, le modalità di rilevamento visivo e radar possono soddisfare i requisiti in modo efficiente in termini di costi, mentre per il livello 4 e oltre potrebbero essere necessarie tutte e tre le modalità di rilevamento, incluso il lidar (come mostrato nella Tabella 1).
I sensori radar, se costruiti con ricetrasmettitori in cascata (per un numero maggiore di canali virtuali), offrono prestazioni simili a quelle della tecnologia lidar (risoluzione angolare più elevata), ma a un costo ottimizzato. La tecnologia radar avvisa i conducenti della possibilità di una collisione fornendo un avviso o intraprendendo le necessarie azioni evasive. Tuttavia, la complessità di svoltare o cambiare corsia in sicurezza e di percorrere curve strette presenta sfide progettuali significative quando si lavora per migliorare l’autonomia del veicolo. La visibilità dietro gli angoli ha presentato importanti ostacoli tecnici nella progettazione di sistemi ADAS e di assistenza al parcheggio di alta qualità, oltre a influenzare l’adozione più ampia di veicoli autonomi in tutto il mondo.
Essere in grado di vedere più lontano e più chiaramente con i dispositivi radar porta a una migliore fusione dei sensori per applicazioni di guida e parcheggio automatizzate più sicure. Oltre alle prestazioni offerte dal radar, il vantaggio principale dell’utilizzo del radar per ADAS è la sua capacità di operare in modo affidabile, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche.
I sensori radar a lungo raggio da 77 a 81 GHz di Texas Instruments offrono la capacità di rilevare oggetti in un’ampia area e possono coprire un raggio di 200 m. I sensori a medio raggio operano nell’intervallo da 100 a 150 m, mentre i sensori a corto raggio utilizzano ricetrasmettitori, con apparecchiature di elaborazione del segnale montate dietro il paraurti, per tracciare un oggetto o una persona a una distanza compresa tra 30 e 50 metri dal veicolo. La tecnologia CMOS ha consentito un elevato livello di integrazione nel front-end, con un singolo chip che integra sia analogico che digitale.
Evoluzione da 24 GHz a 77 GHz per applicazioni a medio e corto raggio
Per il radar a corto raggio è stata utilizzata in passato sia la banda ISM stretta che quella ultralarga a 24 GHz. Per applicazioni semplici come il rilevamento di punti ciechi di base, è possibile utilizzare la banda ISM stretta, ma nella maggior parte dei casi, comprese le applicazioni radar a corto raggio, la necessità di una maggiore risoluzione ha portato all’utilizzo della banda ultralarga a 24 GHz.
Quest’ultima, tuttavia, è stata bandita dal 1° gennaio 2022 sia in Europa che negli Stati Uniti; a lungo termine sarà disponibile solo la banda ISM stretta a 24 GHz. La mancanza di un’ampia larghezza di banda nello spettro a 24 GHz, unita alla necessità di prestazioni più elevate nelle applicazioni radar emergenti, ha indirizzato le nuove applicazioni verso la banda da 76 a 77 GHz per il lungo e il medio raggio. Questa banda ha il vantaggio di un’elevata potenza irradiata isotropica equivalente consentita, che permette applicazioni radar anteriori a lungo raggio come il controllo automatico adattivo della velocità. La banda radar da 77 a 81 GHz ha recentemente guadagnato molti consensi, sia dal punto di vista della regolamentazione mondiale che dell’adozione da parte dell’industria.
Uno dei principali vantaggi della frequenza a 77 GHz per il settore automobilistico è la sua ampia larghezza di banda. Rispetto alla banda ISM da 200 MHz, disponibile a 24 GHz, la banda radar mmWave da 77 a 81 GHz offre fino a 4 GHz di larghezza di banda di sweep, migliorando notevolmente la risoluzione e la precisione della portata. La risoluzione della portata di un sensore radar indica la sua capacità di separare due oggetti ravvicinati, mentre la precisione della portata rappresenta l’accuratezza nella misurazione della distanza di un singolo oggetto. Poiché la risoluzione e la precisione della portata sono inversamente proporzionali alla larghezza di banda dello sweep, un sensore radar a 77 GHz può ottenere prestazioni 20 volte migliori in termini di risoluzione e precisione della portata rispetto al radar a 24 GHz. La risoluzione della portata ottenibile è di 4 cm (rispetto a 75 cm per il radar a 24 GHz) come mostrato nella Figura 2. Poiché la banda a 24 GHz sarà limitata a 200 MHz, in futuro la maggior parte dei sensori radar automobilistici a 24 GHz passerà probabilmente alla banda 77 GHz.
Le dimensioni ridotte del sensore sono un altro vantaggio dell’utilizzo di frequenze più elevate. A parità di guadagno e di campo visivo, le dimensioni di un’antenna a 77 GHz sono tre volte più piccole rispetto ad un’antenna a 24 GHz, come evidenziato in figura 3.
Questa riduzione delle dimensioni è particolarmente utile nel contesto delle applicazioni automobilistiche, dove i sensori devono essere montati in punti ristretti dietro il paraurti; anche nel caso dei sensori presenti nelle portiere e nel cofano posteriore nonché all’interno della cabina di guida, le minori dimensioni non possono che rappresentare un vantaggio.
Imaging radar vs lidar
Negli attuali sistemi di assistenza alla guida, le misure di sicurezza primarie come la frenata automatica di emergenza (AEB), lo sterzo di emergenza autonomo (AES), il controllo automatico della velocità di crociera (ACC) e l’avviso di collisione anteriore (FCW) sono considerate caratteristiche di base e obbligatorie secondo i regolamenti NCAP. Man mano che lo sviluppo di ADAS continua, le valutazioni di sicurezza delle auto includono sempre più ADAS e tecnologie di prevenzione degli incidenti. Le prestazioni delle misure di sicurezza come AEB, AES, ACC e FCW dipendono dal tipo e dalla complessità dei sensori utilizzati. Gli OEM e i fornitori di livello Tier 1 stanno prestando molta attenzione alla suite di sensori che scelgono per queste funzioni, assicurandosi in particolare che i sensori radar soddisfino i severi requisiti richiesti dai test NCAP. Tradizionalmente, il rilevamento dei pedoni, gli avvisi di cambio di corsia, le soluzioni di frenata automatica e le applicazioni di controllo automatico adattivo della velocità utilizzano il lidar.
I sensori lidar automobilistici utilizzano la luce come fonte di trasmissione. L’integrazione dei sensori lidar consente il rilevamento di oggetti a circa 200 m davanti al veicolo. Tuttavia, il costo elevato è una preoccupazione primaria quando si utilizza la tecnologia lidar. Ritornando alla tabella 1, le modalità di rilevamento ottico e radar possono soddisfare in modo conveniente i requisiti per il livello di autonomia 3+, mentre il livello 4 e oltre possono richiedere tutte e tre le modalità di rilevamento.
Una configurazione circuitale in cui più sensori TI AWR2243 mmWave sono collegati in cascata consente al radar di imaging di funzionare in modo sincrono come un’unica unità, con molti canali di ricezione e trasmissione per migliorare significativamente la risoluzione angolare e le prestazioni della portata del radar. Collegati in cascata, i sensori mmWave possono raggiungere una portata fino a 400 m utilizzando sfasatori integrati per creare beamforming.
Un caso d’uso comune che evidenzia i vantaggi dei sensori radar di imaging è la loro capacità di identificare oggetti statici ad alta risoluzione, come mostrato nella Figura 4. Il tipico sensore mmWave ha un’elevata velocità e risoluzione della portata, che gli consente di identificare e distinguere facilmente tra oggetti in movimento, ma è piuttosto limitato quando si tratta di oggetti statici.
Nuove applicazioni per i radar
Con più sensori necessari per ottenere una vista panoramica a 360 gradi, i produttori di automobili devono integrare i sensori in piccoli spazi come le maniglie delle porte o i montanti verticali. Il fattore di forma ridotto del sensore AOP (antenna-on-package) AWR1843AOP e AWR6843AOP consente l’integrazione del sensore in nuove posizioni. Le case automobilistiche e i fornitori Tier-1 che cercano sensori radar mmWave all’avanguardia per migliorare le prestazioni di rilevamento trovano nei sensori radar mmWave AOP di Texas Instruments prodotti che integrano l’antenna, il ricetrasmettitore radar, il processore del segnale digitale, il microcontrollore e le periferiche di interfaccia in un unico chip. L’integrazione del package sul chip elimina la necessità di un materiale di substrato ad alta frequenza, riducendo notevolmente i costi e la complessità di produzione rispetto ad altri sensori radar, risparmiando allo stesso tempo circa il 30% di spazio su scheda. L’eliminazione della necessità di progettare, simulare e caratterizzare le prestazioni dell’antenna può persino accelerare il time-to-market. Il software di TI è inoltre riutilizzabile e portatile sui dispositivi a 60 e 77 GHz dell’azienda, consentendo progetti più veloci.
Radar per applicazioni a corto raggio
Oggi, le telecamere surround e i sensori a ultrasuoni garantiscono l’assistenza al parcheggio. Tuttavia, non tutti i sistemi agiscono in maniera completamente indipendente, delegano al conducente alcune manovre; anche in condizioni meteorologiche avverse questa modalità non può essere attivata. Per abilitare la funzionalità di parcheggio automatizzato, il sensore dovrebbe essere in grado di rilevare altre auto, marciapiedi o pedoni da 3 cm a più di 40 m di distanza in un ampio campo visivo, in qualsiasi tipo di condizione ambientale.
I sensori mmWave aiutano a raggiungere questa funzionalità rilevando con precisione oggetti più piccoli (come un’asta di metallo che sporge dal terreno) che altre modalità di rilevamento potrebbero non essere in grado di rilevare da una distanza inferiore a 25 cm, il tutto funzionando in condizioni meteorologiche e di illuminazione differenti. I sensori radar migliorano anche l’estetica complessiva dei veicoli perché operano dietro il paraurti e non richiedono alcuna perforazione sui paraurti, come richiesto dai sensori ad ultrasuoni.
L’AWR1843AOP fornisce un ampio campo visivo sia in azimut che in elevazione che consente un vero rilevamento 3D per vari oggetti. Un ampio campo visivo con l’antenna integrata consente di ottenere una copertura a 360° con un numero minimo di sensori, come mostrato nella Figura 5.
La larghezza di banda di 77 GHz di un sensore radar mmWave consente una risoluzione ad alta portata in modo che possa distinguere tra vari tipi di oggetti in un ampio campo visivo, inclusi legno, metallo e plastica, come mostrato nella Figura 6.
Monitoraggio del conducente
I sensori radar non stanno solo cambiando il modo in cui i veicoli percepiscono l’ambiente che li circonda, ma anche il modo in cui il radar rileva ciò che è al loro interno.
Le capacità del sensore radar come AWR6843AOP per il rilevamento in cabina continuano a crescere, aumentando la precisione nei sistemi di monitoraggio del conducente, dalla verifica del corretto uso delle cinture di sicurezza, all’attivazione degli airbag, al controllo degli altri passeggeri. Gli oggetti pesanti appoggiati su un sedile, ad esempio, non attiveranno più gli avvisi acustici relativi al mancato utilizzo delle cinture di sicurezza. Gli airbag potrebbero attivarsi a velocità diverse in presenza di bambini, riducendo il rischio di lesioni da impatto.
I conducenti potrebbero ricevere alert relativi a neonati o bambini ancora presenti all’interno dei veicoli, poiché il radar rileva le forme di vita con maggiore precisione e affidabilità rispetto a qualsiasi altra tecnologia disponibile.
Un sensore radar può anche rilevare con precisione quando un conducente sta per assopirsi misurando il battito cardiaco e la frequenza respiratoria con buona precisione, come mostrato nella Figura 7. Un singolo sensore ha la capacità di monitorare i segni vitali di tutti gli occupanti all’interno di un’auto, allertando gli altri passeggeri nel caso di un problema di salute, o nel caso di sonnolenza del conducente. Una volta allertati, i conducenti e i passeggeri potrebbero intraprendere azioni appropriate come fare una pausa o fermarsi in caso di problemi medici.
Un sensore radar è in grado anche di rilevare gesti come il movimento di una mano o una rotazione del dito. Oggi i conducenti spesso non guardano la strada per regolare varie funzioni operando su pulsanti o manopole. Uno swipe della mano da destra a sinistra potrebbe indicare che l’utente desidera cambiare stazione radio, mentre una rotazione del dito in senso antiorario potrebbe significare diminuire il volume o rimpicciolire una mappa di navigazione, semplificando notevolmente l’esperienza di guida. Allo stesso modo i passeggeri dei sedili posteriori potranno controllare gli schermi inseriti nei poggiatesta, utilizzando un controllo gestuale anziché toccare lo schermo o agire su una manopola.
I sensori radar stanno dunque ridefinendo anche il meccanismo di rilevamento all’interno dei veicoli, assistendo conducenti e passeggeri e fornendo anche funzioni di comfort.
Conclusione
In conclusione, l’adozione dei sensori radar mmWave da parte delle case automobilistiche è in continuo aumento grazie ai vantaggi che comporta in varie applicazioni: lungo raggio, medio raggio, corto raggio e ultra corto raggio e applicazioni in cabina. In primo luogo, essendo il radar agnostico rispetto alle condizioni meteorologiche e ambientali, aumenta in maniera significativa l’affidabilità e la sicurezza dell’auto. Man mano che il numero di sensori aumenta con l’autonomia, le prestazioni e il costo sono le principali preoccupazioni. Con un elevato livello di integrazione con antenna, ricetrasmettitore radar, processore di segnale digitale, microcontrollore e periferiche di interfaccia tutto su un unico chip, oltre alle prestazioni, le case automobilistiche e i fornitori Tier-1 sono in grado di ridurre i costi complessivi di sistema. Inoltre, la funzionalità multimodale consente di estendere le applicazioni per le tipiche applicazioni ADAS, con prestazioni elevate a lungo raggio, ad applicazioni emergenti dal parcheggio automatizzato alle applicazioni a corto raggio con risoluzione più elevata. Gli sviluppatori hanno anche una gamma ampia e scalabile di soluzioni tra cui scegliere dal portafoglio TI in base alle loro esigenze di progettazione. L’intera offerta di prodotti di TI, hardware, software e progetti di riferimento, per ciascuna di queste applicazioni facilita l’adozione e consente un time-to-market più rapido.
Prajakta Desai è Marketing Manager per i radar automobilistici di Texas Instruments.
