Radar tar steget från att vara standardutrustning i lyxbilar till att bli ett tillval i bilar i mellanklassen och förväntas bli en vanlig säkerhetsfunktion i bilar inom fem år. Jeff Postupack och Sam Weinstein, Analog Devices, beskriver här en utveckling mot billigare radar med bättre målidentifiering och avståndsupplösning.

En 25-årig manlig förare kollar sin smarta mobiltelöfon när bilkön börjar röra på sig. Precis när han trampar på gasen bromsar bilen framför honom plötsligt in på grund av den täta trafiken. Radarsystemet i 25-åringens bil reagerar på några millisekunder. Den adaptiva farthållaren med ”stop & go” känner av att bilen framför bromsar in, bibehåller det förprogrammerade avståndet och stannar fordonet för att förhindra kollision.
Välkommen till den intelligenta bilens tidsålder! En tidsålder där tekniken gör framsteg varje dag.
Man har kommit långt vad gäller bilsäkerhet under de två årtionden som har gått sedan airbags blev standard. ”Passiv säkerhet”, till exempel säkerhetsbälten, airbags och kollisionsvarnare, har utvecklats till ”aktiv säkerhet”: ABS, elektronisk stabilitetskontroll, adaptiv fjädring och gir-/rullningskontroll.
Den senaste utvecklingen innebär förarassisterad säkerhet. Begreppet omfattar adaptiv farthållare (ACC), döda vinkeln-varning (BSD) och körfältsvarnare (LCA). De här systemen börjar integreras i bilarnas kommunikationssystem, vilket gör fordonen mer självstyrande och mer intelligenta.

Radar
Radar är en särskilt lovande teknik för förarassistans. Radarsystemen har potential att kunna minska antalet olyckor och hur allvarlig deras utgång blir, särskilt vad gäller olyckor som orsakas av distraherade bilförare. Tack vare nationella fordonssäkerhetslagar är förardödligheten lägre än någonsin i många länder, vilket har uppmuntrat utvecklingen av intelligenta fordon.
Tills nyligen har radar endast använts för flygplan och lyxfordon, men nu är det även aktuellt i vanliga personbilar.
Utmaningen som nu tornar upp sig för utvecklarna är hur man ska få med många säkerhetsfunktioner samtidigt som man uppfyller bilindustrins krav vad gäller hög kvalitet och låg kostnad.

Illustrationen ger en bild av de hjälpmedel som framtidens bilförare möter.

Det ena behöver inte utesluta det andra. För första gången ser vi system som nära nog är helt integrerade och som möjliggör ACC och andra radarbaserade tillämpningar för varningssystem och sensorer, och allt är mycket kompakt, ungefär lika stort som en smartphone. Framsteg inom integrerad signalbearbetning gör att utvecklarna kan programmera in de inställningar som krävs för olika förhållanden, såväl stadstrafik som landsvägskörning, i ett och samma paket till ett överkomligt pris.
Det här betyder att utvecklare av radarsystem nu har ett val: diskreta komponenter eller en integrerad lösning. Integrering av elektronik tillämpas i många branscher – till exempel medicinsk bildteknik, infrastruktur och konsumentenheter – och nu har turen kommit till bilradar. Längs vägen måste utvecklarna göra vissa kompromisser.

Kommande massmarknad
Radar tar steget från att vara standardutrustning i lyxbilar till att bli ett tillval i bilar i mellanklassen och förväntas bli en vanlig säkerhetsfunktion i bilar inom fem år. Implementeringstakten ökar i och med att billigare radar med bättre målidentifiering och avståndsupplösning blir tillgänglig.
Hur man tar sig an utvecklingen av analog front-end (AFE) kan vara avgörande. Diskreta komponenter kan användas för att bygga en förstklassig anpassad lösning, och det kommer alltid att finnas de som vill optimera varje variabel. Men det kommer att ta mer tid, kräva mer utrymme och kosta mer att bygga radarsystem med diskreta komponenter.
Med en integrerad krets (IC) kan biltillverkarna få praktiskt taget alla funktioner de kan önska sig, även för många olika tillämpningar som ACC och döda vinkeln-varning (BSD), till en bråkdel av kostnaden och i ett betydligt kompaktare format.
Nu är det möjligt att få signalbearbetning och datainsamling i en och samma integrerade krets. Storleken är avgörande eftersom radarsensormodulen måste få plats i små utrymmen, till exempel bakom kofångaren, som inte är konstruerad för att rymma den typen av elektronik. Med en integrerad lösning kan enheten bli åtminstone hälften så stor som motsvarande diskreta komponenter. Integrerade enheter kan vara kostnadseffektiva men ändå uppnå de höga prestanda som utvecklarna av radarsystem kräver.
Det går att bygga ett diskret system som gör exakt det man vill, men kostnaden kan snabbt rusa iväg och göra lösningen för dyr för tillverkning i större skala. En integrerad lösning innebär att radarsystem kan installeras i fler bilar till ett lägre pris, vilket i sin tur innebär säkrare bilar för alla.

Användarvänlighet
Integrerade enheter kan innehålla inbyggda innovationer som programmerbar förstärkare (PGA-förstärkare) och flexibla filter. Sådana funktioner förkortar tiden till marknaden, inte bara för de första systemen som utvecklas, utan även för alla efterföljande system, genom att möjliggöra en plattformslösning.
Filter, till exempel, måste anpassas för olika typer av förarsäkerhetstillämpningar. En diskret design gör det svårt att omprogrammera filtren, så utvecklarna måste fysiskt byta ut resistorer och kondensatorer för att ändra filtreringsegenskaperna. Integrerade komponenter med anpassningsbara filter löser det problemet. All anpassning görs genom att man programmerar om chipet via serieporten. Det kan man även göra ”i farten”, vilket förkortar designtiden eftersom det gör att man snabbt kan tillåta flera iterationer.
Flera kanaler på ett chip underlättar också för utvecklaren, eftersom kanalerna matchar väl, och för föraren, eftersom sensorn får ett större avkänningsområde. Ett perfekt radarsystem skulle känna av föremål i en 180-gradig vinkel runt bilen, ungefär som en människas perifera synfält. Ett mottagarsystem med så många som sex kanaler kan göra det här med bättre optisk upplösning eftersom det kan ta emot ett högre antal sända signaler. Det innebär mer tid på målet och bättre förmåga att räkna ut målets ungefärliga storlek. Man kan uppnå samma sak med diskret elektronik, men det kan vara lite mer svårhanterligt.

Anpassning till signalnivå
De senaste integrerade lösningarna skräddarsyr radarsensorns egenskaper automatiskt efter lång eller kort räckvidd. Utvecklarna måste förhindra att systemet överbelastas när radarsignaler sänds tillbaka till fordonet. Om ett mål finns rakt framför fordonet har retursignalen högre amplitud och måste dämpas. Om bilen framför är 120 meter bort, och retursignalen är svag, försöker mikroprocessorn kontinuerligt optimera signal-brusförhållandet för att hjälpa till att identifiera målet samt avgöra var i synfältet målet befinner sig och på vilket avstånd.
Det mesta av det här uppnår man med hjälp av PGA-förstärkaren. Man kan använda en diskret PGA-förstärkare, men det är långt ifrån lika enkelt eller billigt som en PGA-förstärkare som styrs via samma serieport som det programmerbara filtret.
Flexibilitet är ett starkt argument för en integrerad lösning med tanke på att radarsystem måste kunna uppfylla många olika krav. ACC kräver dynamisk räckvidd, medan ACC stop&go kräver mindre räckvidd men en vidare avkänningsvinkel och snabbare svarstid för att anpassa sig till trafiken framför.
Med inställningar som kan anpassas av användaren i en integrerad lösning kan en plattform ge bättre prestanda under olika typer av förhållanden, vilket passar både för landsvägskörning och stadstrafik.
En plattformslösning där man använder integrerade, tillämpningsspecifika delar underlättar utvecklingsprocessen, möjliggör radarsystem med mindre formfaktorer och, viktigast av allt, erbjuder möjligheten att förbättra säkerheten för bilar i lägre prisklasser.
Jeff Postupack, marknadsföringschef för RADAR Market, Sam Weinstein produktchef för AD8283 Radar Analogue Front End IC, Analog Devices
 

Filed under: Fordonselektronik