Abstract:
Op het gebied van Intelligente Transportsystemen (ITS) hebben traditionele combinaties van enkelvoudige radar en controlecamera's te lijden onder hoge kosten en problemen met gegevensfusie. Het radar-visueel integratiesysteem, dat millimetergolfradar en camera's integreert, optimaliseert de kosten en verdiept de gegevensfusie, waardoor het geleidelijk een belangrijk apparaat wordt in de perceptielaag van ITS. Dit artikel bespreekt het gebruik van RFchip cascade technologie, waarbij de AWR2243 dual-chip oplossing wordt geselecteerd om de prestaties van millimetergolfradar te verbeteren. Gekoppeld aan professionele beveiligingschips wordt een radar-visueel integratiesysteem ontworpen met detectiemogelijkheden over lange afstanden. Op algoritmeniveau wordt een multi-sensor fusie strategie toegepast en wordt het YOLOv8n doelopsporingsalgoritme verbeterd door de introductie van het RepViT backbone kenmerkextractienetwerk en het gebruik van de SIoU verliesfunctie om de nauwkeurigheid van de bounding box regressie te optimaliseren. Het verbeterde model vermindert het aantal parameters met 24%, verkleint de modelgrootte met 22% en verbetert de rekenefficiëntie aanzienlijk met behoud van een hoge nauwkeurigheid. Door het testen van echte verkeersscenario's bereikt het systeem 360° bewaking van verkeerskruisingen, met een maximaal detectiebereik van 350 meter en een detectienauwkeurigheid van meer dan 97%, waarmee het voldoet aan de ontwerpeisen voor radar-visuele integratiesystemen met groot bereik en goede technische toepassingsmogelijkheden biedt.

1. Inleiding
Naarmate de verstedelijking versnelt en het aantal voertuigen toeneemt, worden de verkeersomstandigheden complexer. Intelligente transportsystemen (ITS), die de efficiëntie en veiligheid van het verkeersmanagement verbeteren, krijgen steeds meer aandacht in termen van technologische evolutie. Van de verschillende sensoren die het verkeer waarnemen, combineert het radar-visuele integratiesysteem de voordelen van millimetergolfradar en videocamera's. Deze fusie levert de precieze gegevens van radar en videocamera's op. Deze fusie biedt de nauwkeurige afstands- en snelheidsmeting van de radar, die niet beïnvloed wordt door licht of weersomstandigheden, en de intuïtieve doelherkenning en rijke informatie van de camera. Vergeleken met traditionele afzonderlijke radar- en camera-installaties biedt het radar-visueel integratiesysteem aanzienlijke voordelen op het gebied van hardwarekosten, gegevenssynchronisatie en systeemintegratie, waardoor de verkeerssituatie efficiënter kan worden waargenomen en gebeurtenissen efficiënter kunnen worden gedetecteerd.

De laatste jaren hebben millimetergolfradartechnologie en radar-visuele fusiesystemen zich snel ontwikkeld. Millimetergolfradar gebruikt het dopplereffect om de snelheid en afstand van het doel te detecteren en de prestaties worden beïnvloed door factoren zoals de frequentieband, chiparchitectuur en antenneontwerp. Op basis van detectieafstand wordt millimetergolfradar ingedeeld in korte- en langeafstandstypes. Gegevensverwerking maakt vaak gebruik van FPGA- of FPGA+DSP-architecturen om een balans te vinden tussen verwerkingssnelheid en systeemflexibiliteit. Qua frequentiebanden worden 24 GHz en 77 GHz radars veel gebruikt. De 77 GHz band is bijzonder geschikt voor verkeersmonitoring op lange afstand vanwege de kortere golflengte, kleinere antennegrootte, groter detectiebereik en hogere resolutie.

De bestaande ontwerpstudies voor radar-visuele integratiesystemen zijn echter beperkt en de meeste oplossingen hebben te maken met uitdagingen op het gebied van detectiebereik of kosten. Om deze problemen aan te pakken, wordt in dit artikel een ontwerpoplossing voorgesteld voor een radar-visueel integratiesysteem met detectiemogelijkheden op lange afstand, gebaseerd op 77GHz millimetergolfradar en RFchip cascadetechnologie. Het artikel beschrijft de hardwarearchitectuur en algoritmeoptimalisatiestrategieën en test de haalbaarheid en betrouwbaarheid van het systeem.

2. Overzicht systeemontwerp

Het radar-visueel integratiesysteem is verdeeld in twee hoofdonderdelen: radar en video. Het videogedeelte bevat de hoofdbesturingschip en de beeldacquisitiemodule, die een 5MP sensor gebruikt om de beeldkwaliteit te garanderen. Het radardeel maakt gebruik van de AWR2243 cascadeoplossing met dubbele chip om een antenne-array met 6 zend- en 8 ontvangantennes te vormen, met synchronisatiesignalen die samenwerking tussen master en slave mogelijk maken. Om de kwaliteit van het RF-signaal te verbeteren, gebruikt het systeem een speciale energiebeheerchip voor de voeding van de RF-chips. De video DSP bestuurt de sensor om videogegevens te verzamelen en integreert radar- en videogegevensfusie intern.

2.1 Ontwerp videosectie
Het videogedeelte maakt gebruik van een professionele beveiligingschip, H13403V100, die via het MIPI-protocol is verbonden met de 5MP sensor, waardoor videogegevens met hoge definitie kunnen worden verzameld en verzonden. Deze chip biedt sterke mogelijkheden voor beeldverwerking en datascheduling en ondersteunt algoritmes voor samensmelting van meerdere sensoren.

2.2 RFchip module ontwerp
De millimeter-wave radar RFchip cascadering is een effectieve methode om de systeemprestaties te verbeteren. Door meerdere RFchips te synchroniseren, kunnen het zendvermogen en de ontvangstgevoeligheid worden verbeterd, wat resulteert in een beter detectiebereik en een betere hoekresolutie. De AWR2243 is geselecteerd als de belangrijkste RFchip, die werkt in de 76-81 GHz frequentieband met hoge integratie en uitstekende RF-prestaties. Een enkele AWR2243 ondersteunt 3 zend- en 4 ontvangstantennes, en door twee chips in cascade te schakelen wordt dit uitgebreid tot 6 zend- en 8 ontvangstantennes, waardoor de systeemflexibiliteit en detectienauwkeurigheid aanzienlijk worden verbeterd.

2.3 Ontwerp van de radargegevensverwervingsmodule
Radargegevensverwerving maakt gebruik van de AM2732 DSP + FPGA-oplossing. De AM2732 bestuurt de master-slave AWR2243-chips via de SPI-interface, ontvangt LVDS-gegevens van de front-end sensoren en voert basisbewerkingen uit zoals doelafstand en snelheidsmeting. De FPGA is verantwoordelijk voor het verwerven en doorsturen van radargegevens, het verzenden van gegevens naar de videokaart via het LVDS-protocol en het voltooien van de fusie van radar- en visuele gegevens in de hoofd-DSP.

3. Algoritme-ontwerp

De kern van het radar-visueel integratiesysteem ligt in het multi-sensor fusiealgoritme. Het systeem implementeert radarpuntwolk- en videobeeldfusieverwerking in de hoofd-DSP, inclusief doeldetectie, volgen en gegevensassociatie.

3.1 Radardoelherkenning
Radardoelopsporing maakt gebruik van het DBSCAN-clusteralgoritme, dat monsters verdeelt op basis van dichtheid, waardoor niet-vormig verdeelde doelpunten effectief worden herkend en geschikt zijn voor detectie van meerdere doelen en vormen in verkeersscenario's.

3.2 Beelddoeldetectie
De detectie van beelddoelen is gebaseerd op het YOLOv8n-model, dat ruggengraat-, nek- en hoofdcomponenten bevat. Om de nauwkeurigheid van de detectie en de efficiëntie van het model verder te verbeteren, wordt in dit document het RepViT-ruggengraatnetwerk geïntroduceerd en wordt de SIoU-verliesfunctie gebruikt om de regressie van de begrenzende box te optimaliseren.

4. Conclusie

Dit artikel stelt een ontwerp voor van een langeafstandsradar-visueel integratiesysteem gebaseerd op de AWR2243 dubbele RF-chip cascadetechnologie. Het systeem verbetert de antenneprestaties door middel van hardwarecascadering, gecombineerd met algoritmen voor multi-sensorfusie en een verbeterd YOLOv8n-detectiemodel. Het systeem bereikt een detectienauwkeurigheid van meer dan 97%, met een maximaal detectiebereik van 350 meter, wat voldoet aan de eisen van verkeersmonitoring over lange afstanden in ITS-scenario's. De testresultaten bevestigen de stabiliteit en betrouwbaarheid van het systeem en bieden een grote technische toepassingswaarde.