Phát Triển hệ thống Radar trên xe tự lái bằng mô phỏng

Bởi Shawn Carpenter, Giám đốc sản phẩm, Điện tử tần số cao, ANSYS

Hệ thống radar cung cấp dữ liệu đầu vào cho các cảm biến mang lại sự lái an toàn và độ tin cậy trong quá trình vận hành của các dòng xe tự lái. Đảm bảo rằng các hệ thống radar hoạt động mà không có sự nhiễu sóng, đảm bảo sóng sẽ bao phủ trong các khu vực đã được chỉ định trước, không làm sai lệnh các hiệu ứng cài đặt và cung cấp đầu vào chính xác cho hệ thống điều khiển yêu cầu sử dụng mô phỏng kỹ thuật tiên tiến.

 

Các phương tiện tự lái đòi hỏi sự phát triển liên tục của hệ thống cảm biến đó chính là mắt và tai của hệ thống điều khiển, các cảm biến này nhận biết được các chi tiết vận hành của xe và môi trường xung quanh nó. Chúng cung cấp cho hệ thống điều khiển xe các dữ liệu về trạng thái hiện tại và khả dĩ của môi trường xung quanh xe. Cả việc vận hành và sự an toàn đều phụ thuộc vào độ chính xác của hệ thống cảm biến.

Bốn loại cảm biến xe chính cung cấp phần lớn các dữ liệu giác quan từ môi trường đối với một chiếc xe tự động - máy ảnh quang phổ, thiết bị đo laser (lidars)- công nghệ khảo sát tiên tiến để đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu mục tiêu đó bằng một tia laze và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến, cảm biến siêu âm và cảm biến tần số vô tuyến (radar). Radar ô tô sử dụng tần số sóng milimét cho đối tượng tầm xa và phát hiện chướng ngại vật, cũng như theo dõi vận tốc và hướng của các tác nhân khác nhau như người đi bộ, xe khác, lan can, vv, trong môi trường xung quanh xe.

MÔ PHỎNG CỦA MỘT ĂNG-TEN RADAR

Ví dụ này minh họa cho sự phát triển của một cảm biến radar cho xe ô tô với tần số 77 GHz dựa trên kỹ thuật chế tạo bảng mạch in (PCB) hai mặt sử dụng ống dẫn sóng có rãnh.

ANSYS HFSS được sử dụng để nhanh chóng tối ưu hóa các kích thước thích hợp cho từng phần tử của một phần tử đơn vị dẫn sóng có rãnh trong một giàn ăng-ten mở rộng.

Khi thiết kế một phần tử bức xạ đơn bị sẽ được tối ưu hóa nhằm tạo ra tần số mong muốn, một giàn có kích thước đầy đủ có thể được tạo ra nhanh chóng và tự động. Mô phỏng được chạy với một kỹ thuật tự động và có khả năng mở rộng cao để xác định số lượng phần tử tối thiểu cần thiết để đạt được độ bao phủ bức xạ không gian và hiệu quả mà giàn ăng ten phát ra năng lượng.

Khi một thiết kế giàn ăng ten đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng, các chi tiết chế tạo (vias, độ dày kim loại, cấu trúc để ghép đôi sức mạnh vào các ống dẫn sóng, vv) có thể được thêm vào để mô phỏng các vật liệu thực tế và các quy trình sản xuất. Một thiết kế thăm dò kỹ thuật số của các thí nghiệm (DoE) có thể được chạy giúp giảm thiểu các dung sai quá trình chế tạo dự kiến để đánh giá năng suất sản xuất của mảng này. Thiết kế ban đầu của giàn với vias, chất độn PCB.

Ảnh hưởng của lớp vỏ bọc bên ngoài có thể được điều tra để làm rõ hơn ảnh hưởng của chúng lên hiệu suất của cảm biến. Kim loại trong và gần lớp vỏ có thể tạo khớp nối điện từ với ăng ten có thể làm suy giảm khả năng bức xạ của nó với đặc tính kỹ thuật. Các hiệu ứng lân cận của radome và lớp vỏ phi kim loại khác cũng có thể có tác động. Những hiệu ứng này có thể được xác định và thậm chí được khắc phục trong một mô hình mô phỏng trước khi xây dựng một nguyên mẫu vật lý.

Các hiệu ứng từ môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến cũng có thể được xem xét, chẳng hạn như mưa, băng, bụi hoặc các tác nhân khác. Trong mô phỏng này, một lớp mỏng (0,1 mm) nước hoặc băng được nghiên cứu đặt trên lớp vỏ radar, cho thấy rằng nước có tác dụng tối thiểu lên mức tăng chùm tia chính, nhưng làm tăng mức sidelobe thêm 4 dB nữa. Bằng cách hiểu hiệu suất trong các điều kiện môi trường khác nhau, các kỹ sư có thể tối ưu hóa thiết kế của giàn ăng ten và xây dựng các biên phù hợp với thiết kế ban đầu.

"Đối với các nhà sản xuất ô tô để thu được lợi ích đầy đủ từ công nghệ radar ô tô, họ phải sử dụng mô phỏng một cách khôn ngoan để đáp ứng các mốc phát triển và đạt được các yêu cầu về hiệu suất."

Ba lớp chính của hệ thống radar thường được sử dụng trong các hệ thống an toàn hoạt động ô tô:

  • Radar tầm ngắn (SRR) cho cảnh báo và an toàn xung đột va chạm, và hỗ trợ các tính năng trợ giúp đỗ xe bị hạn chế
  • Radar tầm trung (MRR) để quan sát các góc của xe, thực hiện phát hiện điểm mù, quan sát giao lộ làn đường của xe khác và tránh xung đột bên / góc.
  • Radar tầm xa (LRR) cho cảm biến chuyển tiếp, điều khiển hành trình thích ứng (ACC) và các chức năng phát hiện va chạm sớm.

Radar của ô tô ngày nay kết hợp công nghệ mà 20 năm trước chỉ có thể được tìm thấy trong nghiên cứu tiên tiến trong các phòng thí nghiệm vũ trụ và quốc phòng. Đối với các nhà sản xuất ô tô để đạt được lợi ích đầy đủ của công nghệ này - bao gồm tích hợp mức chip, gói và cảm biến thu nhỏ, ít bộ phận hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và hiệu năng cao hơn, với chi phí thấp hơn đáng kể - họ phải sử dụng mô hình và mô phỏng một cách khôn ngoan để đáp ứng sự phát triển tích cực và đạt được các yêu cầu về hiệu suất đầy thử thách.

Mô phỏng radar có thể được sử dụng để thiết kế các thành phần radar đơn vị (ăng-ten và mảng), phát triển một hệ thống bao gồm tất cả các thiết bị radar và xe, hoặc thậm chí mở rộng đến một hệ thống ảo của nhiều hệ thống radar, chính chiếc xe và môi trường của nó là một nguyên mẫu kỹ thuật số.

SỰ PHÁT TRIỂN NHANH CHÓNG CỦA CẢM BIẾN RADA

Thiết kế radar hiệu suất cao bắt đầu với ăng-ten - giao diện giữa cảm biến và thế giới mà nó đang cảm nhận. Lý tưởng nhất, các hệ thống ăng-ten này phải tập trung năng lượng theo một hướng trên một góc bao phủ được xác định. Ăng-ten phải tạo ra hiệu quả sao cho năng lượng không bị phân tán trong bản thân ăng-ten hoặc trong các vật liệu gói cảm biến. Năng lượng không bị mất do kết nối kém với bộ nguồn khuếch đại công suất.

  • Mô hình và mô phỏng tần số cao cho thấy các cơ hội to lớn để tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc thiết kế và phát triển các cảm biến radar. Với mô phỏng, kỹ sư có thể:
  • Tạo các nguyên mẫu ảo và điều chỉnh các cấu trúc liên kết ăng ten một cách nhanh chóng, mà không yêu cầu chế tạo.
  • Kiểm tra các biến thể ăng-ten thực tế và hiệu quả để hiểu hành vi của chúng dưới nhiều điều kiện về cấu trúc và môi trường
  • Tối ưu hóa phần tử và giàn anten đa kênh với ít nỗ lực và chi phí nhất.
  • Chỉ xây dựng một mẫu thử nghiệm duy nhất để kiểm tra lần cuối.

Mô phỏng ra đa tại một ngã tư đông đúc

TÍCH HỢP RADA VỚI XE

Một khi thiết kế cảm biến hoặc nguyên mẫu được phát triển, nó phải được đánh giá khi được cài đặt trên một chiếc xe. Nhiều cảm biến radar được gắn phía sau của bộ hãm xung hoặc bảng đồng hồ trong xe ô tô. Các hiệu ứng lân cận trong thiết kế xe có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của radar - đặc biệt là khả năng của ăng-ten để tập trung năng lượng ra-đa. Các nhà sản xuất xe phát triển thiết kế bộ hãm xung và bảng đồng hồ cho cả khí động học và làm hài lòng về mặt thẩm mĩ cho khách hàng của họ. Các tính năng độc đáo của hình dáng bên ngoài chiếc xe đáp ứng mục tiêu thẩm mỹ có thể tác động tiêu cực đến hiệu suất của một cảm biến radar tích hợp vào nó hoặc ẩn đằng sau nó.

Trong quá khứ, các hiệu ứng của tương tác radar-to-fascia và radar-to-bumper được đánh giá thông qua sự hợp tác giữa nhà sản xuất cảm biến và nhà sản xuất xe. Đây là một quá trình lặp đi lặp lại dựa trên việc tạo mẫu thử và lỗi. Thời gian và chi phí phát triển có giá trị được đầu tư vào các nguyên mẫu yêu cầu trang bị lại khi chiếc xe được thiết kế lại.

Mô hình hóa và mô phỏng làm giảm quá trình này từ 9 tháng đến một vài ngày. ANSYS HFSS SBR + có thể tích hợp các mô hình, bao gồm các kết quả chính xác cao từ mô hình phần tử hữu hạn ANSYS HFSS, cho hệ thống cảm biến bị cô lập, và mô phỏng tương tác của nó với dải lớn hơn nhiều và bộ hãm xung bằng các phương pháp dò tia tần số cao. Phản ứng của các ăng-ten radar được thiết lập trong mô phỏng cho các kĩ sư ra-đa thấy mỗi giàn radar nhỏ sẽ thu nhận các thông tin về đường hoặc môi trường khi nó được cài đặt vào thiết kế fascia-bumper được đề xuất như thế nào.

"Hệ thống radar đóng một vai trò trung tâm trong các hệ thống an toàn và phải được kiểm tra với hệ thống kiểm soát xe và các thuật toán để xác nhận hoạt động an toàn"

Một mô hình giàn cảm biến radar được cài đặt trong bảng đồng hồ của ô tô được cho trước.

Phần mềm ANSYS HFSS SBR + chụp và bộ giải miền bouncing rays EM  được áp dụng để làm mẫu các tương tác mảng radar cảm biến được cài đặt. Mô phỏng phần tử hữu hạn HFSS cho hệ thống ăng-ten cảm biến radar được hiển thị ở vị trí lắp đặt thích hợp và một tập hợp các tia được sử dụng bởi mô phỏng HFSS SBR + được hiển thị ở góc thoát 80 độ.

Giải quyết các vấn đề quy mô lớn trong một thế giới được kết nối

KIỂM TRA ĐƯỜNG ẢO CHO RADA

Các nhà phát triển xe tự lái đang nỗ lực làm việc vì sự an toàn của hành khách. Hệ thống radar đóng một vai trò trung tâm trong các hệ thống an toàn và phải được thử nghiệm với các hệ thống điều khiển xe và các thuật toán để xác nhận hoạt động an toàn. Nếu không có sức mạnh của việc xây dựng mô hình và mô phỏng, điều này sẽ đòi hỏi lái xe phải có hàng triệu dặm thử nghiệm. Ngày nay, hầu hết các nhà phát triển AV đang chuyển quá trình này sang các thử nghiệm với nguyên mẫu kỹ thuật số. Trong mô hình hóa và mô phỏng, thử nghiệm có thể được thực hiện cho bất kỳ kịch bản nào có thể tưởng tượng được.

Tuy nhiên, mô hình có tính chính xác cao về hiệu suất điện từ của một hệ thống radar ô tô đã được chứng minh là một thách thức lớn.

Mô hình hóa toàn diện và mô phỏng các cảm biến rađa tạo ra một vấn đề phân tích EM rất lớn vì radar cần kiểm soát một khu vực có thể chiếm hơn 1,4 triệu bước sóng điện. Điều này được kết hợp bởi các yêu cầu mức hệ thống bao gồm số lần hệ thống điều khiển trung tâm được cập nhật bởi radar, số ăng-ten liên quan, phạm vi và độ phân giải vận tốc của hệ thống MRR, và vận tốc so sánh của các tác nhân môi trường.

Trong khi những cân nhắc này đặt ra những thách thức đối với mô hình EM chính xác cao về tương tác giữa radar và môi trường, chúng không thể vượt qua được. Một ứng dụng thích hợp của kỹ thuật chụp x quang (SBR) sử dụng ANSYS HFSS SBR + có thể cung cấp mô phỏng vật lý đầy đủ về các vấn đề như vậy với độ chính xác cao và hiệu quả hợp lý - cả về tài nguyên máy tính và thời gian làm mẫu.

ANSYS HFSS-mô phỏng cảm biến môi trường xung quanh cho kênh Tx và kênh Rx tạo cơ sở cho sự kích thích trong giải pháp tương tác HFSS SBR + fascia.

Nhận được mô hình bức xạ kênh dưới ánh sáng cho thấy các mô hình bức xạ cho mô-đun

Truyền mô hình bức xạ cho thấy các mô hình bức xạ cho mô-đun cách ly và được cài đặt để bao gồm tương tác fascia & bumber.

Một cảm biến radar ô tô điển hình cung cấp các bản cập nhật cho hệ thống điều khiển và hệ thống an toàn của xe với tốc độ từ 5 đến 30 khung mỗi giây. Tốc độ và độ chính xác của ANSYS HFSS SBR + cho phép mô phỏng hoàn chỉnh chuyển động của xe qua môi trường này để phát triển bản đồ Range-Doppler theo thời gian cho quá trình hoạt động. Đặt mô phỏng HFSS SBR + cùng với mô phỏng của một chiếc xe tự động hoàn chỉnh tạo ra một nguyên mẫu kỹ thuật số để kiểm tra hệ thống điều khiển xe hoặc hệ thống an toàn chủ động.

Hình ảnh môi trường của một đoạn ngã tư tấp nập. Vận tốc của mỗi xe di chuyển trong cảnh được hiển thị.

Các tia bắn và phản xạ bắt nguồn từ kênh truyền dẫn radar thông qua môi trường. Nhiều màu sắc tương ứng với sự phản xạ thứ tự cho mỗi đường đi của xe được mô tả.

Bản đồ Range-Doppler cho hệ thống radar trên một khung radar 200 xung liên tiếp 300 MHz

HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

Các nhà phát triển cảm biến radar, nhà sản xuất ô tô, nhà phát triển hệ thống an toàn chủ động và các nhà phát triển hệ thống điều khiển xe tự động sử dụng các giải pháp ANSYS để thiết kế mô-đun cảm biến radar, nghiên cứu hiệu suất đã cài đặt trên xe và hiểu rõ hơn về các tín hiệu radar cho các mục tiêu di chuyển và tĩnh trên một đoạn đường đông và tấp nập. Từ một thành phần đơn lẻ đến một mẫu thử nghiệm hệ thống kỹ thuật số, ANSYS cung cấp các giải pháp duy nhất cho vấn đề tần số cao đang gặp rất nhiều thử thách này.

Phạm vi cho một xung băng thông 300 MHz radar duy nhất với độ phân giải 0,5 m.. Sóng radar phản hồi rất mạnh mẽ trên một vài điểm sáng, bề mặt của một số xe, và sự phản xạ giữa các xe được hiển thị. Các mục tiêu càng gần thì tín hiệu càng mạnh, nhưng thậm chí nhắm mục tiêu tốt xuống đường cũng có thể phát hiện được. Do độ phân giải của dạng sóng, radar có thể phát hiện nhiều sóng được dội lại từ cùng một phương tiện.

"Hệ thống radar đóng một vai trò trung tâm trong các hệ thống an toàn và phải được thử nghiệm với hệ thống điều khiển xe và thuật toán để xác nhận hoạt động an toàn."

Radar xe tự lái: Cải thiện Hiệu suất Radar với Mô phỏng

G

 


Nguồn: ANSYS Advantage volume-xii-issue-1-2018

Lược dịch: Kim Thỏa - Cộng tác viên tại Advantech - kỹ sư tại Advantech

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

TUYỂN DỤNG

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail