บทคัดย่อ:
ในสาขาของระบบขนส่งอัจฉริยะ (ITS) การผสมผสานแบบดั้งเดิมของเรดาร์เดี่ยวและกล้องตรวจจับที่จุดตรวจมีปัญหาค่าใช้จ่ายสูงและปัญหาในการผสานข้อมูลระบบบูรณาการเรดาร์-ภาพ ซึ่งผสานเรดาร์คลื่นมิลลิเมตรและกล้องเข้าด้วยกัน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุนและเสริมการหลอมรวมข้อมูลเชิงลึก กลายเป็นอุปกรณ์สำคัญในชั้นการรับรู้ของระบบขนส่งอัจฉริยะ (ITS) อย่างค่อยเป็นค่อยไป บทความนี้กล่าวถึงการใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อ RFchip แบบลำดับชั้น โดยเลือกใช้โซลูชันชิปคู่ AWR2243 เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเรดาร์คลื่นมิลลิเมตร เมื่อผสานกับชิปความปลอดภัยระดับมืออาชีพ จึงสามารถออกแบบระบบบูรณาการเรดาร์-ภาพที่มีความสามารถในการตรวจจับระยะไกลได้ในระดับอัลกอริทึม ได้มีการใช้กลยุทธ์การรวมข้อมูลจากหลายเซ็นเซอร์ และปรับปรุงอัลกอริทึมการตรวจจับเป้าหมาย YOLOv8n โดยนำเครือข่ายการสกัดคุณลักษณะ RepViT backbone มาใช้ และใช้ฟังก์ชันการสูญเสีย SIoU เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถดถอยของกรอบกล่องเป้าหมาย โมเดลที่ได้รับการปรับปรุงนี้ลดจำนวนพารามิเตอร์ลง 24% ลดขนาดของโมเดลลง 22% และเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณอย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ยังคงรักษาความแม่นยำสูงผ่านการทดสอบสถานการณ์การจราจรในโลกจริง ระบบสามารถตรวจสอบการจราจรที่ทางแยกได้รอบทิศทาง 360° โดยมีระยะการตรวจจับสูงสุดถึง 350 เมตร และมีความแม่นยำในการตรวจจับมากกว่า 97% ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการออกแบบสำหรับระบบผสานรวมเรดาร์-ภาพระยะไกล และแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมอย่างแข็งแกร่ง.

1. บทนำ
เมื่อการขยายตัวของเมืองเพิ่มขึ้นและจำนวนยานพาหนะเพิ่มขึ้น สภาพการจราจรบนท้องถนนก็ซับซ้อนมากขึ้น ระบบขนส่งอัจฉริยะ (ITS) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการจราจรและความปลอดภัย กำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในแง่ของการพัฒนาทางเทคโนโลยีในบรรดาเซ็นเซอร์การรับรู้การจราจรต่าง ๆ ระบบการผสานรวมเรดาร์-ภาพรวมได้รวมเอาข้อได้เปรียบของเรดาร์คลื่นมิลลิเมตรและกล้องวิดีโอไว้ด้วยกัน การผสานนี้มอบการวัดระยะทางและความเร็วที่แม่นยำของเรดาร์ซึ่งไม่ถูกกระทบโดยสภาพแสงหรือสภาพอากาศ และการรับรู้เป้าหมายที่ชัดเจนและข้อมูลที่อุดมสมบูรณ์ของกล้อง เมื่อเปรียบเทียบกับการติดตั้งเรดาร์และกล้องแยกกันแบบดั้งเดิม ระบบการผสานรวมเรดาร์-ภาพรวมมอบข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านต้นทุนฮาร์ดแวร์ การซิงโครไนซ์ข้อมูล และการผสานระบบ ทำให้การรับรู้สภาพการจราจรและการตรวจจับเหตุการณ์มีประสิทธิภาพมากขึ้น.

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีเรดาร์คลื่นมิลลิเมตรและระบบผสานข้อมูลเรดาร์-ภาพได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว เรดาร์คลื่นมิลลิเมตรใช้เอฟเฟกต์โดปเปลอร์ในการตรวจจับความเร็วและระยะห่างของเป้าหมาย และประสิทธิภาพของมันได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่างๆ เช่น ย่านความถี่ในการทำงาน สถาปัตยกรรมชิป และการออกแบบเสาอากาศ ตามระยะการตรวจจับ เรดาร์คลื่นมิลลิเมตรถูกแบ่งออกเป็นประเภทระยะสั้นและระยะยาวการประมวลผลข้อมูลมักใช้สถาปัตยกรรม FPGA หรือ FPGA+DSP เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความเร็วในการประมวลผลและความยืดหยุ่นของระบบ ในแง่ของย่านความถี่ เรดาร์ที่ความถี่ 24GHz และ 77GHz ถูกใช้อย่างแพร่หลาย ย่านความถี่ 77GHz เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบการจราจรในระยะไกล เนื่องจากมีความยาวคลื่นสั้นกว่า ขนาดเสาอากาศเล็กกว่า ระยะการตรวจจับไกลกว่า และความละเอียดสูงกว่า.

อย่างไรก็ตาม การศึกษาการออกแบบระบบผสานเรดาร์-ภาพที่มีอยู่ในปัจจุบันยังมีจำกัด และส่วนใหญ่เผชิญกับความท้าทายในด้านระยะการตรวจจับหรือต้นทุน เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ บทความนี้นำเสนอแนวทางการออกแบบระบบผสานเรดาร์-ภาพที่มีความสามารถในการตรวจจับระยะไกล โดยอาศัยเทคโนโลยีเรดาร์มิลลิเมตรเวฟ 77GHz และเทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบลำดับชั้นของ RFchip บทความนี้ได้อธิบายถึงสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพของอัลกอริทึม และทดสอบความเป็นไปได้และความน่าเชื่อถือของระบบ.

2. ภาพรวมการออกแบบระบบ

ระบบบูรณาการเรดาร์-ภาพถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนหลัก: เรดาร์และวิดีโอ ส่วนวิดีโอประกอบด้วยชิปควบคุมหลักและโมดูลการรับภาพ โดยใช้เซ็นเซอร์ 5MP เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของภาพส่วนเรดาร์ใช้โซลูชันแบบซ้อนชั้นชิปคู่ AWR2243 เพื่อสร้างอาร์เรย์เสาอากาศ 6 ส่ง 8 รับ พร้อมสัญญาณซิงโครไนซ์ที่ช่วยให้การทำงานร่วมกันในโหมดมาสเตอร์-สเลฟ เพื่อปรับปรุงคุณภาพสัญญาณ RF ระบบใช้ชิปจัดการพลังงานเฉพาะสำหรับการจ่ายไฟให้กับชิป RF DSP วิดีโอควบคุมเซ็นเซอร์เพื่อรวบรวมข้อมูลวิดีโอและผสานข้อมูลเรดาร์และวิดีโอภายใน.

2.1 การออกแบบส่วนวิดีโอ
ส่วนวิดีโอใช้ชิปความปลอดภัยระดับมืออาชีพ H13403V100 ซึ่งเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ 5MP ผ่านโปรโตคอล MIPI ทำให้สามารถเก็บข้อมูลและส่งข้อมูลวิดีโอความละเอียดสูงได้ ชิปนี้มีความสามารถในการประมวลผลภาพและจัดตารางข้อมูลที่แข็งแกร่ง รองรับอัลกอริทึมการรวมข้อมูลจากหลายเซ็นเซอร์.

2.2 การออกแบบโมดูล RFchip
การเชื่อมต่อแบบลำดับชั้นของชิป RF สำหรับเรดาร์คลื่นมิลลิเมตรเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ โดยการซิงโครไนซ์ชิป RF หลายตัวเข้าด้วยกัน สามารถปรับปรุงกำลังส่งและความไวในการรับสัญญาณ ส่งผลให้ระยะการตรวจจับและความละเอียดเชิงมุมดีขึ้น AWR2243 ถูกเลือกเป็นชิป RF หลัก ซึ่งทำงานในช่วงความถี่ 76–81GHz ด้วยการรวมที่สูงและประสิทธิภาพ RF ที่ยอดเยี่ยมAWR2243 ตัวเดียวรองรับเสาอากาศส่งสัญญาณ 3 เสาและเสาอากาศรับสัญญาณ 4 เสา โดยการเชื่อมต่อชิปสองตัวแบบต่อเนื่องจะขยายเป็นเสาอากาศส่งสัญญาณ 6 เสาและเสาอากาศรับสัญญาณ 8 เสา ซึ่งช่วยปรับปรุงความยืดหยุ่นของระบบและความแม่นยำในการตรวจจับได้อย่างมีนัยสำคัญ.

2.3 การออกแบบโมดูลการรับข้อมูลเรดาร์
การเก็บข้อมูลข้อมูลเรดาร์ใช้โซลูชัน AM2732 DSP + FPGAAM2732 ควบคุมชิป AWR2243 แบบมาสเตอร์-สเลฟผ่านอินเทอร์เฟซ SPI รับข้อมูล LVDS จากเซ็นเซอร์ด้านหน้า และดำเนินการประมวลผลพื้นฐาน เช่น การวัดระยะห่างและความเร็วของเป้าหมาย FPGA รับผิดชอบในการรับและส่งข้อมูลเรดาร์ ส่งข้อมูลไปยังบอร์ดควบคุมวิดีโอผ่านโปรโตคอล LVDS และทำการรวมข้อมูลเรดาร์-ภาพใน DSP หลัก.

3. การออกแบบอัลกอริทึม

แกนหลักของระบบบูรณาการเรดาร์-ภาพอยู่ที่อัลกอริทึมการรวมข้อมูลจากหลายเซ็นเซอร์ ระบบนี้ดำเนินการประมวลผลข้อมูลคลาวด์จุดเรดาร์และภาพวิดีโอใน DSP หลัก ซึ่งรวมถึงการตรวจจับเป้าหมาย การติดตาม และการเชื่อมโยงข้อมูล.

3.1 การตรวจจับเป้าหมายด้วยเรดาร์
การตรวจจับเป้าหมายเรดาร์ใช้ 알고ริทึมการจัดกลุ่ม DBSCAN ซึ่งแบ่งตัวอย่างตามความหนาแน่น สามารถจดจำจุดเป้าหมายที่กระจายตัวไม่เป็นทรงกลมได้อย่างมีประสิทธิภาพ เหมาะสำหรับการตรวจจับเป้าหมายหลายเป้าหมายและหลายรูปร่างในสถานการณ์การจราจร.

3.2 การตรวจจับเป้าหมายในภาพ
การตรวจจับเป้าหมายในภาพใช้โมเดล YOLOv8n เป็นพื้นฐาน ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบ Backbone, Neck และ Head เพื่อเพิ่มความแม่นยำในการตรวจจับและประสิทธิภาพของโมเดลให้ดียิ่งขึ้น บทความนี้จึงนำเสนอโครงข่าย Backbone แบบ RepViT และใช้ฟังก์ชันความสูญเสีย SIoU เพื่อปรับการถดถอยของกรอบกล่องให้เหมาะสมที่สุด.

4. สรุป

บทความนี้นำเสนอการออกแบบระบบบูรณาการเรดาร์-ภาพระยะไกลโดยใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อชิป RF แบบคู่ AWR2243 ระบบนี้ปรับปรุงประสิทธิภาพของเสาอากาศผ่านการเชื่อมต่อฮาร์ดแวร์แบบลำดับชั้น ร่วมกับอัลกอริทึมการรวมข้อมูลจากหลายเซ็นเซอร์ และแบบจำลองการตรวจจับ YOLOv8n ที่ได้รับการปรับปรุง ระบบสามารถตรวจจับได้ด้วยความแม่นยำเกิน 97% โดยมีระยะการตรวจจับสูงสุดถึง 350 เมตร ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของการตรวจสอบการจราจรระยะไกลในสถานการณ์ระบบขนส่งอัจฉริยะ (ITS)ผลการทดสอบยืนยันถึงความเสถียรและความน่าเชื่อถือของระบบ ซึ่งมอบคุณค่าทางการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมได้อย่างยอดเยี่ยม.