自动驾驶之外，毫米波雷达还有哪些潜力可挖？

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-05-22

提到毫米波（mmWave）雷达，大家的第一感觉就是它应该比较“贵”，只有5G、自动驾驶这样的“豪门”用得起。再就是担心它的辐射很大，不适合民用。今年4月份，2019 TI 毫米波雷达中国巡演中的一系列现场应用展示告诉我们，这些担心不仅多虑了，而且毫米波雷达还有很多应用潜力可挖。

毫米波雷达在汽车上的新应用
毫米波技术能够穿透塑料、墙板和衣服等特定的材料，并且不受雨、雾、灰尘和雪等环境条件的影响。此外，毫米波雷达还是一种可以全天候全时工作的传感器。因此，毫米波雷达早已成为汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）的主力传感器。德州仪器（TI）中国区嵌入式产品系统与应用总监蒋宏表示，汽车应用需能在200～300米的范围内探测到目标，室内的要求是探测到7～10米的距离。通过基础评估，现在TI的室内毫米波雷达与WiFi、热点产生的辐射等量。反倒是WiFi 2.4GHz、5GHz的频段更容易穿透人的皮肤，很可能会被人体吸收。毫米波雷达由于频段高，反而使得60%以上辐射被直接反射掉，不会进入人体，是一个安全的传感器产品。另外，毫米波雷达的成本也有明显下降。这些为毫米波的大规模使用提供了保障。通过这次展示，TI就是希望向业界说明，毫米波雷达的很多新兴应用已经被挖掘出来了，比如车内手势控制、检测驾驶员生命体征及其他乘员情况。

为什么称之为新应用呢？蒋宏说，那是因为TI的汽车雷达产品已经有很多年的应用历史，比如前向的ACC（自巡航）、ACW（前向防撞）。为了满足工业和家庭场景的不同应用需求，TI推出了60GHz、77GHz两个频段的毫米波雷达。随着毫米波雷达产品的日益完善，在自动驾驶之外，一些新的应用逐渐浮出水面。

毫米波是一项可用于检测物体并提供物体的距离、速度和角度信息的传感技术，是一项非接触式技术。因使用的是较小的波长，距离精度可以达到亚毫米级别。这些特点让毫米波雷达在生命体征检测时游刃有余。在TI展示的体征探测方案中，毫米波雷达通过检测睡眠时的呼吸频率，即可判别人们是处于深度睡眠还是浅度睡眠。将其用于车内检测，可以准确判断驾驶员的生命体征。

图1 车厢内人员与方位检测方案

据统计，因驾驶员喝醉或生病而产生的交通事故比疏忽而产生的交通事故概率更高。人们对更高安全性的要求，不仅要了解驾驶员是否因醉酒或驾驶疲劳出现闭眼等面部情况，还希望准确测量驾驶员的呼吸和心跳。一般情况下，通过DMS（Driver Monitor System）就可以监测车内驾驶员的状况。过去的DMS主要借助红外检测，只能监测到驾驶员是否在看路，是否有闭眼。TI基于毫米波雷达开发的体征探测方案就可以用于开发检测驾驶员呼吸和心跳的功能系统。当驾驶员的心跳突然间加快或出现反常状态，汽车可以达成预防性的停驶。

此外，在车内应用中，使用毫米波雷达还能检测车内乘坐情况。我们经常看到一些家长因疏忽将孩子遗忘在汽车内，致使孩子窒息而亡的消息。毫米波雷达的优点是对运动的物体很敏感，只要轻微的运动，就能轻松被探测到。另外，不同于其他传感技术，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，还可以将其隐藏在面板背后而不破坏车辆的整体内饰。蒋宏表示，TI已经成功地推出基于AWR1642的车内人员检测参考设计，用于检测车辆内双人乘坐情况。该参考设计极易修改，可扩展到多人的检测。在实际应用中，还可用作检测车内是否有小朋友、甚至小猫小狗等小动物，同时车辆后方有可能的入侵者也会被检测到。随着电动车的普及，为避免无线充电对人体造成伤害，蒋宏预测，未来的汽车有可能会放置天线来确认没有活物后才开始无线充电。

毫米波雷达让安防的视野更宽广
在安防监控市场，摄像头是传感方案的主力产品。“不过采用融合的摄像头和毫米波方案可搜集到所有的监控细节。此外，TI的毫米波监控方案还具有预警功能，如果发生危险了，不论白天黑夜，都可实现功能。”蒋宏表示。

TI展示的户外50米范围人员检测方案主要针对户外布防，当有一个人躲在草丛后面，通过摄像头很难发现，而使用毫米波雷达即可一览无余。或者有人从远距离走进布防区域，一旦接近也能被立刻探测出来，探测的最长距离可根据应用场合进行设定，本次演示的距离为50米范围。在这样的场景中，毫米波雷达可全天候工作的优势更加突出。我们有理由相信，毫米波雷达在安防市场的应用前景会越来越好。

图2  TI展示的户外50米范围人员检测方案

另据蒋宏介绍，适用于交通监控的TI工业毫米波解决方案已经具备三发四收的能力，即有三路发射四路接收，需要探测更远距离时，可以三路发射同时工作。如果是在家中庭院布防，40～50米的探测距离即可满足需求，一路发射即可；如果是在公园或厂矿里做安防，至少要达到150米的距离，三路发射可同时打开，这些都是根据应用可选择的。

上述方案还可扩展到电梯、楼道等应用中，比如通过毫米波雷达检测电梯轿箱里进出的人数。试想一下人流涌动的办公楼，有一个人携带较大体积的物体占满整个空间，而其他人无法进入电梯，这种情况可在轿箱里安装TI毫米波雷达，从而精确了解有几人进入电梯，电梯余留多大的空间。

毫米波雷达体征探测方案让医疗服务更贴心
由于毫米波雷达能够感测到非常细微的运动、甚至是呼吸，因此也非常适合医疗领域的一些应用。比如烧伤的病人，传统的接触式仪器无法用于侦测他们的呼吸和心跳，这时一定要用非接触式的仪器。TI这次就展出了毫米波雷达在医疗服务上的应用。

据蒋宏介绍，毫米波会判断胸腔的起伏，因为其对运动特别敏感，探测精度很高，完全可以借此检测微弱的呼吸和心跳。在TI官网上，已有相关的源代码对公众开放，供参考使用。

图3  TI展示的毫米波体征探测方案

毫米波雷达方案更适于复杂的工业环境
现如今很多工业自动化领域已经开始大量使用机器人和机械臂，这些设备必须有感知周围环境的能力。另外，应用越来越广泛的AGV（仓储机械人），更是需要通过灵敏的感知找到行走的路径，还要避免碰到人。蒋宏表示：“摄像头显然无法满足这样的功能需求，尤其是有焊接设备的工厂，电火花会干扰摄像头判断的准确度。毫米波则完全不受这样的环境影响，并且这只是工业领域的其中一个应用。借助TI 60GHz毫米波雷达，工程师可以将毫米波技术集成到各种机器人、工厂自动化和楼宇自动化设计中。”

毫米波技术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、安全防护等。TI在去年推出的IWR6x毫米波传感器是业内首款包含“AOP天线封装”在内的封装产品，克服了与射频设计相关的传统挑战，尺寸缩小到75%，总成本也有明显降低，为毫米波在工业领域的应用提供了保证。

图4  基于IWR1642的机械臂方案介绍

传感器融合乃大势所趋
实现全自动无人驾驶不仅是汽车行业同样也是半导体界无数人的梦想，它将从根本上改变城市基础设施建设以及产业格局。据IHS Automotive预测，在物联网（IoT）连接、处理能力和机器视觉等必要技术发展的关键时期，到2035年全球自动驾驶汽车将有近2100万销售量。
常规视觉摄像机实现了很多汽车的常见功能，随着汽车电子系统复杂度的增加，传感器融合乃大势所趋，激光雷达、毫米波雷达将承担更多的汽车智能化任务。现在，毫米波的集成已扩展到ADAS解决方案中，为驾驶员、乘客和行人创造更安全的驾驶环境。

图5  TI传感器融合方案展示

在产品上，2018年5月，业内首个单芯片CMOS毫米波雷达AWR1642、IWR1642实现量产。两款器件均支持在77GHz--81GHz的频率下实现高达三倍的精确传感以及最小占板面积。

蒋宏还在现场演示了传感器融合方案在汽车、空调、VR游戏中的应用。比如在汽车中的摄像头无法准确判断前面一个栩栩如生的1：1汽车照片，毫米波雷达则因检测不到金属材料，就会判别这绝对不是一辆真车。将两种检测手段叠加在一起，判断的准确度显著提升。VR游戏里的摄像头，当动作过快或过慢时将很难做出准确的判断。而毫米波因为感知维度多，可以丰富不同的功能。