UTVECKLINGSSTUDIE AV ADAPTIV

Examensarbete, 15 hp

Högskoleingenjörsprogrammet i Elektronik och datorteknik, 180 hp

UTVECKLINGSSTUDIE AV ADAPTIV

FARTHÅLLARE FÖR KOLONNKÖRNING DEVELOPMENT STUDY

OF ADAPTIVE CRUISE CONTROL FOR CONVOY

DRIVING

Taner Tümtürk

Sammanfattning

Fokus idag ligger på självkörande fordon, er och er inom fordonsindustrin utveck- lar och forskar inom ämnet. En bit av ämnet är adaptiv farthållare som används för att undvika och minska kollisioner mellan objekt under kolonnkörning. Detta utförs genom att beräkna sträckor upp till 250 m med en distanssensor för långa avstånd och reglera gasreglaget och bromssystemet.

Sensorerna kommer att vara grunden till detta arbete. Rapporten tar upp två typer av sensorer som klarar av att mäta längre sträckor, radarsensor som använder sig av radiovågor och lidarsensor som använder laserstråle. Litteraturstudie över bentlig forskning inom ämnet påvisar att olikheter mellan sensorerna nns och de har sina för- och nackdelar. Det som skiljer dem åt är upplösning av objektet och väderförhållanden, vilket kan vara avgörande vilket resultat man strävar efter.

För att få reda på vad marknaden har att erbjuda utfördes en jämförande studie.

Där ett fåtal sensorer valdes ut för att jämföras och presenteras. I blockschemat

visas en skillnad i uppbyggnad av systemet, då det gäller mellan sensorerna radar

och lidar. Skillnaderna är på komponentnivå eftersom de använder sig av olika

tekniker. Ett övergripande blockschema över systemet presenteras och ett förslag

på en arkitektur läggs fram med ett mer specikt blockschema.

Abstract

The focus today is on self-driving vehicles, more and more in the automotive industry are developing and researching the subject. One piece of the subject is adaptive cruise control that is used to avoid and reduce collisions between objects during convoy driving. This is accomplished by calculating distances up to 250m with a long-distance sensor and adjusting the throttle and braking system.

The report addresses two types of sensors capable of measuring longer distances, radar sensors using radio waves and lidar sensors using lasers. The sensors will be the basis for this work. A literature review of existing research in the subject shows that dierences between the sensors exist and that they have their advantages and disadvantages. Where the sensors dierentiate them is the resolution of the object and the weather conditions, which can determine which result you are aiming for. In order to nd out what the market has to oer, a comparative study was conducted. Where a few sensors were selected for comparison and presentation.

Where the block diagram indicates that there are dierences between radar and

lidar of the system structure. The dierences are at the component level because

they use dierent techniques. An overall block diagram of the system is presented

and a proposal for an architecture is presented with a more specic block diagram.

Innehåll

1 Bakgrund 1

2 Teori 4

2.1 Adaptive cruise control systems . . . . 4 2.2 Sensorer . . . . 5 2.3 Radar . . . . 5 2.3.1 Short range radar, Mid range radar och Long range radar . . 5 2.3.2 Pulse radar, CW radar, FMCW . . . . 6 2.4 Lidar . . . . 8 2.5 Säkerhet . . . . 8

3 Metod 10

3.1 Litteraturstudie . . . 10 3.2 Jämförande studie . . . 10 3.3 Blockschema . . . 12

4 Resultat 16

4.1 Jämförande studie . . . 16 4.2 Blockschemat . . . 19 4.3 Arkitekturförslag . . . 21

5 Diskussion 21

6 Slutsats 24

7 Referenser 25

1 Bakgrund

Människor har föryttat sig under alla tider med alla typer av färdmedel. Tidigt under historien brukade människan hästar och kameler för att färdas under längre sträckor. Slutet på 1800-talet under den industriella revolutionen gjorde ångmotorn framgång. Tack vare ångmotorn kunde människan färdas långa sträckor på räls.

Allt eftersom tiden gick utvecklades och konstruerades det mer kompakta och mindre ångmotorer. Så småningom skulle drivmedlet bytas ut och ändras från vatten till elektricitet och bensin. Motorernas utveckling medförde att den första trehjulingen för två personer byggdes av Carl Benz (1844 - 1929) år 1885.

Produktionen av fordon ledde till att era började använda fordonen för att för-

ytta sig långa sträckor. Personbilarna började massproduceras och utvecklingen gick fort fram. I mitten på 1900-talet började säkerhetsfrågorna bli en allt mer viktig faktor. Från 1950-talet och framåt har det hänt mycket både vad som gäller säkerhet och komfort inom bilindustrin.

Under första världskriget togs första steget mot utvecklingen av militära fordon såsom stridsvagnar. Där den viktiga uppgiften var att skydda marktrupper från beskjutning. Stridsvagnarna utvecklades och byggdes större, robustare och med mer avancerad teknik. För att transportera marktrupper och nödvändigheter i svår terräng togs bandvagnen fram. Säkerhetsfaktorn blev också inom militären en viktig fråga, där ett av det främsta säkerhetsproblemet var kollision mellan fordon. Militärfordon föryttas ofta i grupper och föryttningarna sker över längre sträckor. Färden sker ofta i form av kolonn. Kolonnerna består av n st. fordon som kör efter varandra med jämna avstånd beroende på terräng. Vid dessa tillfällen kan förarna bli trötta och detta ökar risker för att olyckor kan inträa. Olyckorna består oftast av kollisioner bakifrån där fordonen tar skada. Kollisioner kan leda till att gruppen blir stillastående en längre tid. Konsekvenserna kan resultera i ekonomiska förluster beroende på storlek på skada, i värsta fall kan personskador ske.

För att undvika olyckor samt öka komforten för förarna nns det olika typer av

system att implementera. Ett av systemen är farthållaren som ger möjligheten

att hålla en konstant hastighet samt öka komforten för föraren då hen kör längre

sträckor. Detta förutsätter att traken yter smidigt och terrängen har en hög

standard. Användningen av ett sådant system förutsätter att föraren kan processa

informationen utifrån omgivningen och agera därefter. För att ta in information

om miljön nns det sensorer såsom radar och lidar. Utvecklingen av sensorer har

gått fort fram och har idag blivit mindre samt mer lättillgängliga. Dessa sensorer

kan samla in data från omgivande terrängen och på så sätt kan data användas för

att bland annat beräkna hastighet och avstånd till objektet. Detta kan kombine-

ras med farthållaren, på så sätt kan avståndet till framförvarande fordon regleras genom att öka och sänka hastigheten. Ett sådant system kallas för Adaptiv fart- hållare (ACC, Adaptive Cruise Controller) och den kontrollerar både motorn och bromsarna på ett fordon oavsett terräng.

Tre möjliga scenarion som är baserade på olika terränger med olika svårighetsgra- der presenteras nedan. Ett av dessa kommer att vara utgångspunkten för rappor- ten.

Scenario 1 skogsmiljö:

Utspelar sig i skog med tät skog på trasig skogsbilväg. Väderförhållandet är tre grader Celsius och morgondiset ligger tät över myrarna. Vägen är körbar men inget problem för ett fordon med larvband. Vägen är 3 - 3,5 m bred med ett dike på höger sida i förarens färdriktning. På vänstra sidan står träden glest längs med diket med ett avstånd på 1,5 - 3 m till vägen. På vänster sida står träden tätare mot vägrenen med ett avstånd på 1 - 2 m. Längst vägen nns det utbuktningar på specika platser för eventuella mötande fordon. Svackor och krön påträas of- ta med kurvor till vänster och höger. Det förekommer kurvor i anslutning till en svacka eller till ett krön som kan skymma vägen längs horisonten.

Scenario 2 Landsväg:

Kolonnen benner sig på en asfalterad väg där traken yter och det är hastighets- begränsning på 80 km/h. Denna kolonn håller ungefär 60 km/h med ett avstånd mellan fordonen på 40 m. Svaga kurvor förekommer längst vägen men det är inga skarpa, tvära kurvor. Landskapet är platt och längs horisonten syns solrosfält, majsfält och vetefält. Vägen är lätt trakerad men kolonnen håller ihop för att inte släppa in någon mellan dem.

Scenario 3 Bergsluttning:

Staden som fordonen benner sig i ligger längs en kust. För att komma till slut- destination behöver man färdas över ett berg. Berget har en brant lutning med en tillgänglig väg som slingrar sig uppåt. På baksidan av berget är början av vägen slingrig och halvvägs ner så avtar slingrigheten, landskapet planas ut och raka sträckor förekommer.

Alla tre scenarion har i grunden samma system. Den gemensamma faktorn för systemet är att hålla ett säkert avstånd till framförvarande fordon, genom att reglera gasen och bromsen.

Utgångspunkten till detta examensarbete är scenario två, vilket har valts av upp-

dragsgivaren BAE Systems. Syftet med arbetet är att utföra ett grundarbetet och

undersöka adaptiv farthållare i block form. Detta arbete ska ligga till grund för

hur BAE systems ska gå vidare med sitt arbetet. Under scenario två ska fordonet

klara av att hålla ett säkerhetsavstånd på 1020 m inom hastigheterna upp till 60 km/h samt att undvika kollisioner.

Utifrån valt scenario kommer även ett passande blockschema tas fram. En jäm- förande studie av olika adaptiv farthållar system kommer att utföras, både för att se tillgängligheten ute på försäljningsmarknaden och vad som skiljer systemen åt. För att slutligen kunna ge ett förslag på en arkitektur för ett system. Detta för att BAE Systems i framtiden ska kunna verkställa och implementera adaptiv farthållare i nya och bentliga fordon, för att undvika kollisioner mellan fordon.

Mjukvaran i systemen består av olika algoritmer och regleringstekniker för att be-

räkna och anpassa avståndet till objektet framför. Mjukvaran kommer enbart tas

upp om tiden räcker till.

2 Teori

Detta avsnitt handlar om adaptiv farthållare och dess viktiga delar. Fokus kom- mer att vara sensorerna som är den viktigaste delen. Sensorerna som utgör den delen består av radar (Radio Detection and Ranging) och lidar (light Detection and Ranging). Radarsensor är den vanligaste sensor för just adaptiv farthållare.

Utvecklingen inom radar har gått framåt och den mesta forskningen är just inom radar. Utvecklingen som har skett är framför allt inom hur sensor ska detektera ett objekt. Enligt olika företag som jobbar med att utveckla lidar och forskning inom området nns det tecken på att lidar inom några år kommer bli billigare.

Det nns olika metoder för att bestämma längre avstånd, radarn som är frekvens- beroende (radio) och lidar som är beroende av våglängder (ljus). Stora skillnader

nns mellan sensorerna, för- och nackdelar med respektive sensor tas även upp.

2.1 Adaptive cruise control systems

Cruise control (CC) på svenska benämns som farthållare är en teknik som håller en förinställd hastighet. Med åren har utvecklingen gått framåt och olika typer av säkerhetsvarnare har tagits fram. Under 1990 introducerades och användes radar och lidar av bilindustrin för att kunna kontrollera olika delar i fordonen så som gasreglage och bromssystemet. Utvecklingen och teknologin av radarsensor har re- sulterat i att den blivit mindre och billigare. Inom bilindustrin har utvecklingen gått framåt från mekanisk styrning till elektronisk styrning. Resultatet har öpp- nat upp många möjligheter. Möjligheter som exempelvis att reglera hastigheten.

Genom att uppdatera CC med en sensor som mäter avstånd kan man uppnå en adaptiv farthållare. Adaptive cruise control (ACC) på svenska adaptiv farthållare har ett antal namn active cruise control (ACC), Intelligent Cruise Control (ICC) och Adaptive Intelligent Cruise Control (AICC).

Principiellt har ACC samma uppgift som CC, det är att hålla en konstant has- tighet. Den största skillnaden är att ACC justerar hastigheten för att hålla det förinställda säkerhetsavståndet till objekt framför. För att uppnå detta samlar sensorn in information om traken i omgivningen och beräknar avstånd upp till 250 m. När det inte nns några objekt framför sensorerna, sker acceleration till den förinställda hastigheten av föraren. När objekt upptäcks justeras hastigheten till det givna säkerhetsavståndet och avståndet bibehålls. Det nns en ytterligare funktion som kan tillämpas och det är att fordonet förföljer framförvarande ob- jekt. Detta utförs genom att justera hastigheten till samma hastighet som objektet framför har och hålla ett säkert avstånd [1].

För att kommunicera med bentliga system i fordonet används CAN-BUS (Con-

troller Area Network - Computing) som är ett av ECU:s (electronic control unit)

kommunikationssätt. ECU är fordonens styrenhet, den kan tillhandahålla informa- tion om hastighet, styrvinkel, hjulvaratal och rotation enligt [2]. ECU kontrollerar gasreglage och bromsarna genom att skicka signaler för att minska eller öka an- tingen gasen eller trycket på bromsarna på fordonet.

2.2 Sensorer

Forskning inom området [1, 38] nämner främst två olika sensorer som klarar av att mäta avstånd som är upp till 250 m, radar (Radio Detection and Ranging) som använder sig av elektromagnetiska radiovågor och lidar (light Detection and Ranging) som använder sig av laserstråle. Radar- och lidarsensorer klara av att mäta avstånd, hastighet och kan även avgöra riktning relativt sensorerna. Detta utförs genom att sända radiovågor eller ljus som sedan reekteras tillbaka.

2.3 Radar

Radarsensorer kan delas upp i tre kategorier vilka är SRR (Short range radars), MRR (mid range radars) och LRR (long range radars). Mätomfånget för respektive sensor varierar mellan 0.15 - 30 m, 1 - 100 m och 10 - 250 m enligt [9]. Dessa siror kan variera mellan tillverkarna och det kan skilja upp till 50 m beroende på kategori. Antalet sensorer på ett fordon varierar mellan 1 - 10, antalet styrs av vilka anpassningar tillverkaren av fordonet strävar efter.

2.3.1 Short range radar, Mid range radar och Long range radar

För korta avstånd <50 m används UWB (ultra wideband) SRR sensorer är att föredra eftersom denna typ har en hög upplösning till ett lågt pris. Både SRR och MRR användes för att varna vid korta avstånd [3] Dessa används som

ˆ Adaptiv farthållare stop och gå

ˆ Kollisionsvarnare

ˆ Övervakare för kollisions fram/bak

ˆ Övervakare/varnare av Dödavinkeln

ˆ Körfältsassistans

MRR eller LRR är huvudkomponenten i en adaptiv farthållare med mätomfånget

30 - 250 m. En av dem appliceras i fronten av ett fordon för att upptäcka even-

tuella faror som uppstår framför fordonet. Sensorns huvudsakliga uppgift är att

mäta längre avstånd, hastighet och rörelseriktning på ett eller era fordon relativt

sensorn. Detta kan uppnås med en antenn med en sändare och era mottagare

(multi beam antenna). För att sända radiovågor används främst tre olika metoder pulse radar, continuous-wave radar (CW) och FrequencyModulated Continuous Wave Radar (FMCW) [3].

2.3.2 Pulse radar, CW radar, FMCW

Pulsradar (pulse radar) och Kontinuerligvåg radar (CW radar), är två metoder som används för att beräkna avstånd, hastighet samt rörelseriktning enligt [3].

Vid avståndsmätning nns det tre faktorer som har betydelse vilket är sträcka, tid och hastighet. Elektromagnetiska radiovågorna färdas med ljusets hastighet, där tiden och sträcka är två okända faktorer. Tiden beräknas ut genom att sända en puls fram och tillbaka mellan sändaren och mottagaren. Tidmätningen sker så fort pulsen har lämnat sändarantennen, reekteras mot ett objekt och tillbaka till mottagarantennen. Detta leder till att det återstår en okänd faktor som är sträcka, som kan räknas ut med formeln 1. Denna metod kallas för pulsradar.

a = c · t

2 (1)

Där a är avståndet i m, t är tiden i s det tar för pulsen fram och tillbaka och c är ljusets hastighet 3 · 10 ⁸ m/s .

Kontinuerligvåg radar används främst för att detektera rörelse och hastighet detta via dopplereekten. Detta genom att bestämma frekvensskillnaden hos den ur- sprungliga frekvensen och den reekterade frekvensen. Detta med hjälp av formeln för dopplereekten enligt formeln 2.

f _d = 2V _r

λ (2)

Där f d är dopplerfrekvensen i Hz som är skillnaden på sända frekvensen och mot- tagna frekvensen, V r är målets radiella hastighet i m/s i förhållande till radarn och λ är våglängden i m.

Frekvensmodulerade kontinuerliga våg (FMCW) radar tekniken är framgångsrik teknik för att identiera olika objekt på avstånd. Fördelen med denna teknik är att den har en hög upplösning inom räckvidden samt en god förmåga om djup- uppfattning enligt [7]. FMCW radar sänder en signal som kallas chirp. Chirp är en sinusvåg som ökar i frekvens linjärt med tiden enligt formeln 3.

K = f

t (3)

Där K är lutningen, f är frekvensen i Hz och t är tiden i s.

Ett principiellt blockschema över FMCW radarn är gur 1. Signalgenerator skapar en sinussignal med en grundfrekvens, innan den sänds ut förändras frekvensen med en chirp generator. Sinussignal moduleras genom att öka frekvens under en tidperiod t. Signalen X1 sänds ut genom en TX antenn som reekteras mot ett objekt och signalen X2 tillbaka till RX-antennen. Signalerna X1 och X2 blandas och IF-signal (Mellanfrekvens) erhålls. IF-signalen innehåller en konstant frekvens som är proportionell mot avståndet till objektet enligt formel 3. Enligt författarna i artiklarna [7, 8, 10]

Figur 1  Principiell blockschema över FMCW

IF- signalen innehåller chirp med en lutning K = ^∆f _∆t som motsvarar RX-chirp som är parallell mot TX-chirp med en tids skillnad. Tidsskillnaden mellan TX- chirp och RX-chirp kan avståndet till objektet beräknas. Signalen analyseras och undersöks om det nns andra frekvenser, om det gör det är det ett tecken på att det nns andra avstånd av andra objekt.

f _IF = K2d

c (4)

Där f IF är mellanfrekvensen i Hz, K är lutningen i Hz/s, d är avståndet i m och

c är ljusets hastighet i m/s.

2.4 Lidar

Lidar använder ljus i form av laser för att mäta avstånd till ett specikt objekt.

Detta genom att en enda laserstråle avges ut från systemet. Ljuset reekteras till- baka vid kontakt med fast materia. Lidar är kapabel till att mäta avstånd med hög precision mellan sensor och objektet. Systemet har en mottagare i form av en fotodiod, som tar emot en liknande eller samma våglängd som emitterades från systemet. Det som gör lidar så precist är en teknologi där tiden mäts genom att nollställa en logikkrets samt startar en klocka från den sända strålen. Laserstrålen reekteras mot ett objekt, strålen mottages av en fotodiod. Samtidigt som laser- strålen når fotodioden, stannas klockan. Tekniken kallas för Time-of-ight (ToF) enligt [4], med hjälp av formeln 1 kan avståndet beräknas. Lidar nns i två olika system en som skapar en 2D vy och en 3D vy. Dessa vyer kan bestå av miljontals datapunkter med olika avstånd till objekt. Lidarsystem är baserade på två olika våglängder 905 nm och 1550 nm, som har en relation med frekvens med formeln 5. 905 nm är den vanligaste våglängden för lidarsystem inom fordon. När våg- längderna blir minder är laserstrålen skadlig för ögat. System med 1550 nm kan påverka ögat och kan vara skadlig mot ögats lins. Systemen med 905 nm har inga påverkningar på ögat tack vare sin låga eekt enligt Velodyne [11].

λ = c

f (5)

Där λ är våglängden i m, c är ljusets hastighet i m/s och f är frekvens i Hz.

2.5 Säkerhet

Inom militärsektorn är säkerheten hos systemet a och o, de förutsätter att systemen funkar i alla lägen och tillfällen. Radar och lidar var för sig är sårbara på olika sätt. Det nns för- och nackdelar för respektive sensor och forsning inom området påvisar det. Brian Yamauchi i artikel [5] påvisar att radar penetrerar rökfyllt rum medans lidar påverkas av röken, vilket visades när det utfördes ett test där båda sensorerna utsattes för rök. Radiovågorna som strålas ut från antennen penetrerar röken och reekteras tillbaka via objektet, vilket gör att rätt avståndsdata erhållas.

Laserstrålen som sänds ut hinner inte fram till objektet eftersom strålen bryts och

reekteras tillbaka via röken, på så sätt erhålls felaktig avståndsdata. Noterbart

är att testet utfördes i en lagerlokal. För att testa sensorerna har bägge sensorerna

samma förutsättningar på ett stativ som roterar 360°. Författaren skapade tre

olika algoritmer för att ltrera data från sensorerna. Det som skiljer algoritmerna

åt är olika beräknade tröskelnivåer, för att ltrera bort olika reektioner från golv

och tak, samt för att få mer exakt avstånd till objektet. Dessa kallas för Delta

Filter Algorithm (DFA), Max Filter Algorithm (MFA) och Calibrated Max Filter Algorithm (CMFA) [5]. Resultatet av testet visar att radar genomtränger rökfyllt rum och erhåller rätt data från objektet medan lidar erhåller felaktig data av objektet i lokalen.

B. Yamauchi och Daniel Göhring, Miao Wang, Michael Schnürmacher, Tinosch Ganjineh i artiklarna [5, 6] påvisar att det nns tydliga skillnader mellan sensorerna både på upplösning av objektet och väderförhållande.

Radar klarar av olika väderförhållanden och fungerar även under nattetid, det vill säga när det är mörkt. Den stora nackdelen är att den inte är tillräckligt noggrann för att bygga upp en 3D bild av objektet. Radar reagerar endast om det nns ett objekt att mäta mot, inte på ett avstånd [12].

Lidar som använder laserljus påverkas mycket av väderförhållanden. Väder som regn, snö och dimma bryter den sända laserstrålen och felaktiga data erhålls av sensorn. Lidar påverkas även under nattid när det är mörkt. Eftersom lidar använ- der korta våglängder ges möjlighet att detektera små objekt. Eftersom precisionen är hög är det möjligt att bygga upp en 3D bild av objektet eller terrängen.

D. Göhring, M. Wang, M. Schnürmacher och T. Ganjineh påvisar i artikeln [6]

att kombinationer av sensorerna är ett eektivt sätt att få ett robust system som fungerar i alla lägen. Detta genom att kombinera fördelarna av bägge sensorerna i ett system.

Frekvensbandet som radar ligger på är 24 GHz eller 77GHz. Författaren i artikeln

[9]använder frekvensbandet 24 GHz. Utvecklingen har gått framåt och bestämmel-

ser från European Telecommunications Standards Institute (ETSI) och Federal

Communications Commission (FCC) säger att 24 GHz frekvensbandet kommer

att fasas ut och ersättas med 77 GHz bandet enligt företaget Texas instruments

[13]. Användning av frekvensbandet 77 GHz resulterar i att utbrednings vinkeln

horisontellt blir smalare och upplösningen mycket bättre. När upplösningen blir

bättre är det enklare att detektera enstaka till era objekt [13]

3 Metod

3.1 Litteraturstudie

För att söka vetenskapliga artiklar kring ämnet användes Umeå universitetshem- sidan söktjänst [14] som är öppen för mig som student. Söktjänsten innehåller ett

ertal databaser som innehåller forskning inom teknik. För att erhålla relevant och aktuell forskning inom ämnet användes ltreringsalternativet, som valde ut artik- lar som gällde max tio år tillbaka i tiden. Filtreringsorden som användes var på engelska eftersom nästan all forskning som publiceras är på engelska. Nyckelorden som används under sökningen är ACC car-following systems, lidar radar fusion,

24 GHz 77 GHz radar och adaptive cruise control. För att få en bred uppfatt- ning om ämnet lästes ett ertal artiklar för sedan välja ut de mest intressanta artiklarna. För att avgöra om dessa artiklar är relevanta för arbetet utfördes olika granskningar. För att avgöra om det är en tillförlitlig artikel tittade jag på olika faktorer . Först tittade jag var den vetenskapliga artikeln är publicerad, för att kunna se om det är skönlitteraturartiklar eller inte. När en intressant artikel kring ämnet hittades, tittade jag noga på artikelns uppbyggnad. Där nästan alla artiklar har en introduktion med bakgrund, syfte och mål, en metod med utförande och resultat slutligen en slutsats. Information om författaren/författarna söktes för att avgöra om det är seriösa eller inte. Det viktigaste var att titta på vem som är upp- dragsgivare till artikeln, är det företag eller universitet. Det har en stor betydelse för om ett företag beställer en artikel kan artikeln vinklas till företagets fördel. Uni- versitet i hela värden utför forskning inom alla områden. Vilket gör att forskare inom samma område granskar varandras resultat. Artiklar som publiceras via ett universitet blir granskade av andra forskare. Det som upptäcktes är att mycket av tillgänglig forskning inom området, är inom regleringsteknik och algoritmer. Det är svårt att hitta om hårdvara. Företag och tillverkare skriver all sin information på engelska för att det är det språk som används inom området. Därav används engelska uttryck och ord i detta arbete.

3.2 Jämförande studie

Företagen som jag har valt för att utföra en jämförelse mellan är Bosch, Autoliv,

Veoneer och Velodyne. Detta efter konsultation med BAE systems. De gav även

förslag på att söka på solid state lidar. För att få en tydligare bild av det hela sy-

stemets uppbyggnad användes sökmotorn Google. Vid sökningar med sökmotorn

Google kan man erhålla seriösa och oseriösa träar. Det gäller att vara källkri-

tisk genom att styrka informationen på fakta. Detta ska även utföras på artiklar

som publiceras som populärvetenskap. Information om företag som hittas på olika

tidningsartiklar försöktes bekräftas via företagets hemsida.

Bosch är ett företag som måste vara med i jämförelsen eftersom det är världsledan- de inom teknikområdet. Företaget grundades 1886 med inriktning mot nmekanik och elektronik. Utvecklingen har gått framåt och företaget Bosch har vuxit. Idag

nns företaget i 50 länder och är en stor leverantör till bilindustrin. Eftersom de är väletablerade hos många inom bilindustrin och för att inte tappa marknadsandelar har utvecklingen av system som adaptiv farthållare också utvecklats. Vilket har gett resultat i att många inom bilindustrin använder sig av Bosch radarsystem idag.

Autoliv är marknadsledande inom säkerhet inom bilindustrin. Det är ett stort fö- retag med fäste i USA. Vars ägare och moderbolag är Autoliv, inc, Delaware, USA.

Autoliv AB som är svenskt företag är ett dotterbolag till Autoliv inc. De ligger i framkant när det gäller säkerheten för att skydda både förarna och passagerarna.

De utvecklar och producerar krockkuddar och säkerhetsbälten.

Världsledande bilföretag använder sig av Autolivs produkter. 2018 bildades ett nytt bolag med namnet Veoneer, bolaget består av en avdelning från Autoliv som var inriktad på elektronik och automatisk körning. Idag jobbar Veoneer med att utveckla lidar, radar, kamera, nattsyn (thermal night vision) och mjukvara för intelligent körning.

Velodyne är ett av Autolivs samarbetspartner, de jobbar med att utveckla lidar- sensorer för att implementeras i fordon. De har olika modeller av lidarsensor och de esta roterar 360 grader och skannar av terrängen för att skapa en 3D bild.

Velodyne är ett USA-ägt företag som har all fokus på utveckling av lidar sensorer.

Med hjälp av sökordet solid state lidar hittades tre företag som passade in i

denna studie. Företagen Innoviz technologies, Leddartech och RoboSens utvecklar

och jobbar solid state lidar sensorer. Innoviz technologies har modellen InnvizOne,

som är tillgänglig år 2020 med, som BMW har valt att jobba med från och med år

2021. Leddartech har era lösningar av sina solid state sensorer som är intressanta i

studien. RoboSene har era modeller som är smarta lidar sensorer, såsom förmågor

som articiell intelligens för att förse lidar sensorer med smarta lösningar. De har

modellen RS-LiDAR-M1 som kommer i två versionen med endast hårdvara och

den andra versionen som är smart. Den första versionen har en utgång med rådata

och den andra versionen är försedd med articiell intelligens som både har rådata

och resultatet av beräknade avståndet till objekten.

3.3 Blockschema

Det nns två till tre stora huvudblock i blockschemat. Ett block med sensorer- na, ett block med dator och ett block för övrig elektronik. Sökningar utfördes för att få en djupare uppfattning av systemets blockschema. Vid sökningar hittades många företag som har utvecklat och tagit fram färdiga sensorsystem. Företa- gen som säljer färdiga system ger endast förslag på ett övergripande blockschema för deras produkter. Medan elektronikföretag som Texas instrument, Inneon och Microchip ger förslag på en mer detaljerad nivå med komponenter. De två först- nämnda företagen säljer även radarutvecklingskort. Elektronikföretagen ger förslag på komponenter och färdiga system som är anpassade efter sina egentillverkade komponenter.

För att få en uppfattning av hur systemet är uppbyggt utfördes sökningar på Google. Sökningar på företag som säljer allt från elektronikkomponenter till fär- diga system. Elektronikföretag som Texas instruments, Inneon och Microchip valdes för de har förslag på uppbyggnaden av systemen. De två första företagen säljer en integrerad krets för att användas i radarsystem samt radarutvecklingskort.

Microchip har ett övergripande blockschema och komponenter för att användas i lidarsystem. Texas instrument har ett förslag på hur kretsen AWR1642 kan imple- menteras i radarsystem enligt gur 2.

Figur 2  Förslag av Texas Instruments

Fördelen med Inneon är att de har ett förslag på ett komplett system enligt 3.

Figur 3  Blockschema över radarsystem från Inneon

Microchip har ett enklare blockschema med en beskrivning på vilka delar som är nödvändiga i ett lidarsystem enligt gur 4

Figur 4  Övergripande delar som behövs i lidarsystem

Ytterligare sökningar på företaget Bosch utfördes efter blockschema över ett färdigt system. Ett datablad hittades av en föregående modell av MRR sensorer [15].

Blockschemat kan ses i gur 5, uppbyggnaden liknar föregående blockscheman.

Figur 5  Bosch blockschema över MRR radar

Alla blockscheman tyder på att det nns två till tre stora huvudblock. Ett block

med sensorerna, ett block som behandlar erhållen data och självklara ett block

som strömförsörjer systemet.

4 Resultat

4.1 Jämförande studie

I tabell 1 presenteras resultatet av jämförelsen av sensorerna. Jämförelsens ty- der på att det är mindre skillnader mellan radar och lidar. Marginella skillnader förekommer inom lidarsensorena där mätomfång, synvinkel horisontell och kom- munikationssätt skiljer dem åt enligt tabellen 1.

Tabell 1  Jämförande mellan olika sensorer

Företag

Bosch Velodyn Robosense Leddertech Innoviz

Technologies Modell

MRR front Velarray RS-LIDAR- M1 Leddar Pixell Innovizone

Sensor

Radar Radar Lidar Lidar Lidar Lidar

Frekvens GHz

76 / 77 24 / 77

Våglängd nm

905 905 905

Frame Rate (1 Hz = 1 FPS)

15 20 5 - 25

Laser Klass

Class 1 Class1 Eye-safe

(IEC-60825-1) Mätomfång (m)

0,36 - 160 Lång 1 - 180 32 0,1 - 250

Synvinkel Horisontell Primära antenn

±6 °(160m)

±9 ° (100m)

±10 °(60m) Sekundära antenn

±25 °(36m)

±42 °(12m)

120 ° 120 ° 177, 5 ° 115 °

Synvinkel V

15 ° − 21° 25° 16 ° 25 °

Kommunikation High-speed

CAN +FlexRay 1000Mbps Ethernet Automotive Et-

hernet SPI slave inter- face and GPIO signals

Noggrannhet Avstånd m

0.72 ±0.5 ±0.5 < 0.15

Noggrannhet Hastighet m/s 0.11

Noggrannhet Vinkel

±3 ° H 0.2° V 0.2° 0.1 °

Separation mellan objekt, Avstånd m 0.72

Separation mellan objekt, Hastighet m/s 0.66

Separation mellan objekt, Vinkel

±7 °

Driftstemperatur °C

-20 till +65 -30 till +65 -40 till +85 Eekt W

? 28 20 15-23

VDC

9-36 11-52 6.5-32

Velodyne släpper en modell Velarray som är planerad för massproduktion år 2020.

Velarray har ingen teknisk specikation tillgänglig ute. Den informationen som är

tillgänglig är den som nns i tabell 1 som hittades på deras hemsida. Har även

tittat på deras andra produkter för att få en uppfattning om Velarray. Detta gäller

även svenska förtaget Veoneer där jag samlat in övergripande information som inte

är mycket enligt tabell 1. Den informationen tyder på att det fungerar på liknande

sätt som Bosch radar.

4.2 Blockschemat

Nedan presenteras resultatet av blockschemat som består av tre block: Strömför- ning och diagnostik, digital- och signalbehandling och sensor enligt gur 6.

Figur 6  Blockschema över adaptiv farthållare

De olika blocken i systemet består av strömförning och diagnostik, digital- och signalbehandling och sensor.

Strömförsörjning och diagnostik blocket innehåller komponenter för att skydda sy- stemets elektronik från fordonets övriga elektronik samt strömförsörja egna elektro- nikkomponenter. Vid uppstart av systemet kan det förekomma höga strömmar eller att det kan uppstå fel som kan påverka olika delar av fordonet. Vid dessa tillfällen är transientskydd ett alternativ, för att undvika höga spänningar. Spänningsvari- ationer som höga och låga spänningar kan uppstå vid uppstart av fordonet. För att undvika dessa spänningsvariationer kan DC/DC regulatorer användas för ett uppnå en stabil spänningsnivå. Referensspänning regleras till en specik nivå för att elektroniken ska ha en fast nivå jämfört mot jordpunkt. Temperatursensorn användes för att hålla koll på omgivande temperaturen.

Det stora elektronikblocket är digital- och signalbehandlings blocket, här nns olika varianter beroende på val av sensordel. För att kunna hålla kommunikationen med fordonets styrenhet används olika interface. Standarden för kommunikations för fordon är CAN i fordon det kan även använda sig av ethernet. Det är ett minne som nns för att kunna hantera erhållna data från sensorblocket är olika stora.

Bägge sensorerna behandlar mycket data men där sticker lidar ut med miljontals avstånds punkter för att skapa en 2D vy. Där mikrokontroller inte räcker till och en FPGA måste behandla alla data.

Sensorblocket som är den mest komplexa del består antingen av enbart radar eller

lidar, en annan lösning är att kombinera sensorerna i ett system. Radar använder

högfrekvensradio, där oscillatorer skapar radiovågorna som sänds ut. För att sända

och ta emot reekterade radiovågor behövs impedansanpassade antenner. Lidar

använder laserdiod som ljuskälla och lins för att skapa en stråle som sänds ut, som

mottagare används en fotodiod.

4.3 Arkitekturförslag

Ett förslag på en arkitektur på adaptiv farthållare är att använda frekvensmodule- rad radarsensor enligt gur 7. Radar är mycket mer robust och säker för ändamålet jämfört med lidar. Bosch och Veoneer använder FMCW metoden i sina radarsen- sorer. Fördelen med denna teknik är att den kan detektera era objekt och även skilja objekten åt.

Figur 7  Blockschema över FMCW radar

Signalgeneratorn producerar en kontinuerlig våg. Vågen moduleras i chirp gene- ratorn (synth) genom att öka frekvensen under en tidsperiod. Via antennen sänds signalen ut, reekterar mot en eller era objekt. Den reekterade signalen tas emot med RX antennen, signalen förstärks med en förstärkare för att bli starkare och tydligare. Med blandaren erhålls en mellanfrekvens med information och med hjälp av ett passande lågpass lter erhålls bandbredden. Slutligen förstärks signalen för att sedan omvandlas från en analog signal till en digital signal. Datorn analyserar data genom att beräkna en fouriertransform. Med hjälp av algoritmer kan beslut tas genom att titta på frekvenstopparna. Datorn behöver även innehålla delar som CAN, UART, SPI och I2C, för att kunna kommunicera med andra enheter. Detta möjliggör ett gränssnitt som ger möjligheter att felsöka systemet.

5 Diskussion

Det är tänkt att i framtida projekt ska kolonnkörning ske med enbart en förare.

Där föraren kör första fordonet i kolonnen och de övriga fordonen i kolonnen är

förarfria. Idag är det fullt möjligt att adaptiv farthållare reglerar avståndet mellan

fordonen med en förare i varje fordon som har kontrollen över fordonet. För att få

ett självkörande fordon behövs er sensorer system utöver adaptiva farthållaren.

Eftersom adaptiv farthållare är ett delsystem av ett större system som samarbetar med andra sensor system. Utöver sensorerna som samlar och bearbetar yttre in- formation behövs det era andra system som styr fordonet. Syftet med studien var att utföra ett grundarbetet samt studera adaptiv farthållar system i block form.

Uppbyggnaden av adaptiva farthållare system är komplexa, speciellt utvecklingen av sensor blocket. BAE Systems måste ta ställning till om de vill utveckla ett eget system eller om de ska kontakta ett företag som säljer färdiga system. Det som presenterades i resultatet är tänkt att ligga till grund för kommande beslut och utifrån det så bör företaget anlita en redan etablerad leverantör av adaptiv farthållar system.

För att ett fordon ska kunna följa efter andra fordon, är första steget att rusta upp fordonet med era avståndssensorer framtill. Där sensorerna radar och lidar kombineras för att nyttja deras både fördelar.

Jämförande studien utfördes på ett antal företag efter konversation med BAE systems. Det nns andra förtag som producerar sensorer. Principiellt fungerar de på samma sätt, olikheterna kan vara mätomfånget och horisontell/vertikal syn- vinkel beroende på tillverkare. Lidarsensoren som är x är ny på marknaden för massproduktion.

Ett antal försök för att få kontakt med Veoneer genomfördes, både med mejl och telefon, utan resultat. Fick till slut telefonkontakt med dem där hen tog min mejl för att skicka information om deras produkter, men utan återkoppling. På deras hemsida nns det ytlig information om vilka områden det utvecklar, men det som saknas är den tekniska specikationen om produkterna.

Velodyne släpper teknisk specikation om Velarray i samband med lansering av produkten på marknaden. Det enda som nns är lite information när den ska släppas. Har tittat på Velodyns andra produkters tekniska specikationer för att få en uppfattning om Velarray. Företagen har era modeller i form av cylinder som roterar 360 grader som skiljer sig från Velarray som är x. Mer informationen kommer de att släppa den dagen lanseringen sker, men lite mer information tycker jag att det kunde ha haft.

Blockschemat är övergripande för systemet. För att få ett mer detaljerat blocks- chema över systemet, behövs varje del undersökas för sig i systemet. Hade ett val av en sensor skett från början av arbetet kunde ett mer noggrant blockschema kunna utföras.

För att öka systemets pålitlighet måste det nnas parallella processer som körs

samtidigt i bakgrunden. Processerna som körs har i uppgift att varna för eventuel-

la fel samt att signalera om systemet lägger av. Resultatet blir en robustare lösning tack vare att två sensor system körs parallellt. Tidigare forskningen visar att det

nns olika lösningar i form av kombinationer av lidar- och radarsensorer. Ska ad- aptiv farthållare används för att reglera avståndet till framförvarande fordon är radar ett mycket bra alternativ, både prismässigt och mindre sårbart jämfört med lidar. Lidarsystemets fördel är att det är noggrant vid mätningar enligt tabell 1 som leder till att upplösningen blir mycket hög. Detta beror på att lidar använder sig av våglängden som är tusentals gånger minder än vad radar använder.

Säkerhetsfrågorna kring adaptiv farthållare har stora betydelser. Kan man verk- ligen lita på att systemet fungerar som det ska? Man kan lita på att den utför sitt jobb men huvudansvaret ligger på föraren som styr fordonet. Eftersom adap- tiv farthållare är ett delsystem kan man lita på men inte utan att en förare har huvudkontroll. Vad skulle hända om det plötsligt dyker upp ett objekt framför?

Tvärbromsa? Låga hastigheter är det fullt hanterbart, däremot vid höga hastig- heter kan det få stora konsekvenser. Vid låga hastigheter kan säkerhetsavståndet vara kortare, det leder till att vid högre hastigheter blir säkerhetsavståndet till framförvarande fordon längre.

Om plasthöljet som skyddar systemet täcks av snö, lera eller smuts, Vad händer då? Systemet måste då hantera dessa situationer genom att indikera/varna föraren att systemet inte fungerar korrekt. För att kunna utvärdera dessa tillfällen behöver det utföras tester liknande som författaren [5] påvisade att vid tät rök påverkades lidarsensorn.

För att få en helhetsuppfattning av systemets livslängd behövs beräkningar ut- föras. Elektronikkomponenter har inte evigt liv. Därför kan det vara bra att det byggs ett system där beräkningar kan utföras angående livslängden. Detta ge- nom att titta på komponenterna i sig och därifrån beräkna ut systemets troliga livslängd. Ett annat alternativ är att bygga systemet färdigt, och sedan utsätta systemet för olika tester för att få ut livslängden. Vilket tillverkare har utfört på sina system i en större skala, på så sätt kan det ge en ungefärlig livslängd. Frågan är hur många gånger går systemet sönder under sin livstid?

Kravspecikationen har varit svåra att följa, eftersom det varit svårt att prioritera,

i och med att aktiviteterna har gått in i varandra. Jag tycker att det i detta arbeta

inte nns några prioriteter på aktiviteterna detta för alla går in i varandra. Man

kan inte titta på blockschemat först och sedan gå in på samma sida och titta på

arkitekturen. Arbetet i helhet går ut på att ta fram ett blockschema och att jäm-

föra produkter som nns tillgängliga ute på marknaden. Alla aktiviteter utfördes

parallellt med blockschemat. Ett alternativ skulle vara att sätta hög prioritet på

samtliga aktiviteter.

6 Slutsats

Det är fullt möjligt att minska och undvika kollisioner vid kolonnkörning. Adap- tiv farthållare är ett komplext system med sina olika delar. För att kolonnen ska kunna vara intakt behövs det andra system i samarbete med den adaptiva farthål- laren. Systemen som kamera framtill fordonen för att få minst 180 grader vy, och lidarsensorer för att skapa en 3D vy. Vyn från dessa två systemen kan bildbehand- ling utföras och därifrån tas beslut samtidigt som adaptiv farthållaren kan reglera hastigheten.

Ett övergripande blockschema togs fram hur själva systemet fungerar med de nöd- vändiga komponenterna. Radar och lidar är ifrån två olika världar där radar an- vänder sig av radio och lidar av ljus. Detta medför att det nns olikheter bland sensorernas uppbyggnad och tillhörande elektronikkomponenter.

För fortsatt arbetet nns det många möjligheter. För det första bör företaget väl-

ja en av sensorerna, ett bra alternativ är radarsensor om målet är att den ska

användas som adaptiv farthållare. Därifrån nns stora möjligheten att köpa ra-

darutvecklingskort för att skapa egna algoritmer och utföra tester. Förslag på kort

AWR1642 av Texas instruments på 76  81 GHz och DISTANCE2GO av Inneon

på 24 GHz. Till respektive utvecklingskort nns egen mjukvara, dokumentation

och verktyg för att kunna utveckla algoritmer hur data ska tolkas.

7 Referenser

[1] G. Zhenhaia, W. Juna, H. Hongyua, Y. Weia, W. Dazhib, and W. Linb,

Multi-argument Control Mode Switching Strategy for Adaptive Cruise Con- trol System.(China), Science Direct, pp. 581589, 2016.

[2] Bosch, electronic control unit. https://www.

bosch-mobility-solutions.com/en/products-and-services/

passenger-cars-and-light-commercial-vehicles/steering-systems/

electric-power-steering-systems/electronic-control-unit/. Acces- sed: 2020-02-25.

[3] M. Kraft and N. White, MEMS for Automotive and Aerospace Applications.

Elsevier Science & Technology, 2013. Accessed: 2020-02-20.

[4] T. Fersch, R. Weigel, and A. Koelpin, A CDMA Modulation Technique for Automotive Time-of-Flight LiDAR Systems.(USA), IEEE SENSORS JOUR- NAL, vol. 17, no. 11, pp. 35073516, 2017.

[5] B. Yamauchi, All-Weather Perception for Man-Portable Robots Using Ultra- Wideband Radar.(USA), IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 36103615, 2010.

[6] D. Göhring, M. Wang, Schnurmacher, and Ganjineh, Radar/Lidar Sensor Fusion for Car-Following on Highways.(New Zealand), in 5th International Conference on Automation, Robotics and Applications, pp. 407412, 2011.

[7] F. Millioz and M. Davies, Sparse Detection in the Chirplet Transform: Ap- plication to FMCW Radar Signals.(New Zealand), in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 60, no. 6, pp. 28002813, 2017.

[8] S. H. JEONG1, J. E. LEE1, S. U. CHOI1, J. N. OH1, and K. H. LEE2, TE- CHNOLOGY ANALYSIS AND LOWCOST DESIGN OF AUTOMOTIVE RADAR FOR ADAPTIVE CRUISE CONTROL SYSTEM.(Korea), Inter- national Journal of Automotive Technology, vol. 13, no. 7, pp. 11331140, 2012.

[9] S. Skaria, A. Al-Hourani, R. J. Evans, K. Sithamparanathan, and U. Param- palli, Interference Mitigation in Automotive Radars Using Pseudo-Random Cyclic Orthogonal Sequences, Sensors, vol. 19, no. 20, 2019.

[10] C. Iovescu and S. Rao, The fundamentals of millimeter wave sensors.(Dallas, Texas), 2017.

[11] VELODYNE LIDAR, Guide to LiDAR Wavelengths. https:

//velodynelidar.com/blog/guide-to-lidar-wavelengths/, 2018. Acces- sed: 2020-03-02.

[12] Archer, lidar vs radar: pros and cons for auto- nomous driving. https://archer-soft.com/en/blog/

lidar-vs-radar-comparison-which-system-better-automotive. Acces- sed: 2020-03-13.

[13] K. Ramasubramanian, K. s Ramaiah, and A. Aginskiy, Moving from legacy 24 GHz to state-of-the-art 77 GHz radar.(Dallas, Texas), 2017.

[14] Umeå Universitetsbibliotek. https://umu-primo.hosted.

exlibrisgroup.com/primo-explore/search?vid=UmUB&lang=sv_SE.

Accessed: 2020-02-17.

[15] Bosch, mrr rear. https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/

products-and-services/passenger-cars-and-light-commercial-vehicles/

driver-assistance-systems/lane-change-assist/

mid-range-radar-sensor-mrrrear/. Accessed: 2020-02-02.