Tóm tắt:
Trong lĩnh vực Hệ thống Giao thông Thông minh (ITS), các giải pháp kết hợp truyền thống giữa radar đơn lẻ và camera tại trạm kiểm soát gặp phải những hạn chế về chi phí cao và khó khăn trong việc tích hợp dữ liệu. Hệ thống tích hợp radar-hình ảnh, kết hợp radar sóng milimet và camera, tối ưu hóa chi phí và nâng cao khả năng tích hợp dữ liệu, dần trở thành thiết bị quan trọng trong lớp nhận thức của ITS. Bài báo này thảo luận về việc sử dụng công nghệ ghép nối chip RF, lựa chọn giải pháp chip kép AWR2243 để nâng cao hiệu suất radar sóng milimet. Kết hợp với chip bảo mật chuyên nghiệp, một hệ thống tích hợp radar-hình ảnh có khả năng phát hiện tầm xa được thiết kế. Ở cấp độ thuật toán, chiến lược tích hợp đa cảm biến được áp dụng, và thuật toán phát hiện mục tiêu YOLOv8n được cải tiến bằng cách giới thiệu mạng trích xuất đặc trưng RepViT làm nền tảng và sử dụng hàm mất mát SIoU để tối ưu hóa độ chính xác của hồi quy khung giới hạn. Mô hình cải tiến giảm số tham số xuống 24%, thu nhỏ kích thước mô hình xuống 22% và nâng cao đáng kể hiệu quả tính toán trong khi duy trì độ chính xác cao. Thông qua thử nghiệm trong các tình huống giao thông thực tế, hệ thống đạt được khả năng giám sát 360° tại các nút giao thông, với phạm vi phát hiện tối đa 350 mét và độ chính xác phát hiện trên 97%, đáp ứng các yêu cầu thiết kế cho hệ thống tích hợp radar-thị giác tầm xa và cho thấy triển vọng ứng dụng kỹ thuật mạnh mẽ.

1. Giới thiệu
Khi quá trình đô thị hóa diễn ra ngày càng nhanh và số lượng phương tiện giao thông gia tăng, tình hình giao thông đường bộ đã trở nên phức tạp hơn. Hệ thống Giao thông Thông minh (ITS), giúp nâng cao hiệu quả quản lý giao thông và đảm bảo an toàn, đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn về mặt phát triển công nghệ. Trong số các loại cảm biến nhận diện giao thông, hệ thống tích hợp radar-hình ảnh kết hợp những ưu điểm của radar sóng milimet và camera video. Sự kết hợp này cung cấp khả năng đo khoảng cách và tốc độ chính xác của radar, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng hay thời tiết, cùng với khả năng nhận diện mục tiêu trực quan và thông tin phong phú của camera. So với việc triển khai radar và camera riêng biệt theo cách truyền thống, hệ thống tích hợp radar-hình ảnh mang lại những lợi thế đáng kể về chi phí phần cứng, đồng bộ hóa dữ liệu và tích hợp hệ thống, cho phép nhận diện tình trạng giao thông và phát hiện sự cố hiệu quả hơn.

Trong những năm gần đây, công nghệ radar sóng milimet và các hệ thống kết hợp radar-hình ảnh đã phát triển nhanh chóng. Radar sóng milimet sử dụng hiệu ứng Doppler để phát hiện tốc độ và khoảng cách của mục tiêu, và hiệu suất của nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như dải tần số hoạt động, kiến trúc chip và thiết kế ăng-ten. Dựa trên khoảng cách phát hiện, radar sóng milimet được phân loại thành loại tầm ngắn và loại tầm xa. Việc xử lý dữ liệu thường sử dụng kiến trúc FPGA hoặc FPGA+DSP để cân bằng giữa tốc độ xử lý và tính linh hoạt của hệ thống. Về dải tần số, radar 24GHz và 77GHz được sử dụng rộng rãi. Dải tần số 77GHz đặc biệt phù hợp với các tình huống giám sát giao thông tầm xa do bước sóng ngắn hơn, kích thước ăng-ten nhỏ hơn, phạm vi phát hiện lớn hơn và độ phân giải cao hơn.

Tuy nhiên, các nghiên cứu thiết kế hệ thống tích hợp radar-thị giác hiện nay còn hạn chế, và hầu hết các giải pháp đều gặp khó khăn về phạm vi phát hiện hoặc chi phí. Để giải quyết những vấn đề này, bài báo này đề xuất một giải pháp thiết kế cho hệ thống tích hợp radar-thị giác có khả năng phát hiện tầm xa, dựa trên radar sóng milimet 77GHz và công nghệ ghép nối chip RF. Bài báo trình bày chi tiết kiến trúc phần cứng, các chiến lược tối ưu hóa thuật toán, đồng thời kiểm tra tính khả thi và độ tin cậy của hệ thống.

2. Tổng quan về thiết kế hệ thống

Hệ thống tích hợp radar-hình ảnh được chia thành hai phần chính: radar và video. Phần video bao gồm chip điều khiển chính và mô-đun thu thập hình ảnh, sử dụng cảm biến 5MP để đảm bảo chất lượng hình ảnh. Phần radar sử dụng giải pháp ghép nối hai chip AWR2243 để tạo thành mảng ăng-ten 6 phát, 8 thu, với các tín hiệu đồng bộ hóa cho phép hợp tác ở chế độ chủ-nô. Để cải thiện chất lượng tín hiệu RF, hệ thống sử dụng chip quản lý nguồn chuyên dụng để cấp nguồn cho các chip RF. Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) video điều khiển cảm biến để thu thập dữ liệu video và tích hợp dữ liệu radar và video bên trong.

2.1 Thiết kế phần video
Phần xử lý video sử dụng chip bảo mật chuyên nghiệp H13403V100, được kết nối với cảm biến 5MP thông qua giao thức MIPI, cho phép thu thập và truyền tải dữ liệu video độ nét cao. Chip này cung cấp khả năng xử lý hình ảnh và quản lý dữ liệu mạnh mẽ, hỗ trợ các thuật toán tích hợp đa cảm biến.

2.2 Thiết kế mô-đun RFchip
Việc ghép nối các chip RF radar sóng milimet là một phương pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất hệ thống. Bằng cách đồng bộ hóa nhiều chip RF, công suất phát và độ nhạy thu có thể được cải thiện, từ đó mang lại phạm vi phát hiện và độ phân giải góc tốt hơn. AWR2243 được lựa chọn làm chip RF cốt lõi, hoạt động trong dải tần số 76–81 GHz với mức độ tích hợp cao và hiệu suất RF xuất sắc. Một chip AWR2243 duy nhất hỗ trợ 3 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu, và việc ghép nối hai chip sẽ mở rộng số lượng này lên 6 ăng-ten phát và 8 ăng-ten thu, giúp cải thiện đáng kể tính linh hoạt và độ chính xác phát hiện của hệ thống.

2.3 Thiết kế mô-đun thu thập dữ liệu radar
Việc thu thập dữ liệu radar sử dụng giải pháp DSP + FPGA AM2732. AM2732 điều khiển các chip AWR2243 theo cấu trúc chủ-nô thông qua giao diện SPI, nhận dữ liệu LVDS từ các cảm biến đầu vào và thực hiện các xử lý cơ bản như đo khoảng cách và tốc độ mục tiêu. FPGA chịu trách nhiệm thu thập và chuyển tiếp dữ liệu radar, truyền dữ liệu đến bo mạch điều khiển video thông qua giao thức LVDS, và hoàn thành việc tích hợp dữ liệu radar-hình ảnh trên DSP chính.

3. Thiết kế thuật toán

Yếu tố cốt lõi của hệ thống tích hợp radar-hình ảnh nằm ở thuật toán hợp nhất đa cảm biến. Hệ thống thực hiện xử lý hợp nhất đám mây điểm radar và hình ảnh video trên bộ xử lý tín hiệu số (DSP) chính, bao gồm phát hiện mục tiêu, theo dõi và liên kết dữ liệu.

3.1 Phát hiện mục tiêu bằng radar
Hệ thống phát hiện mục tiêu radar sử dụng thuật toán phân cụm DBSCAN, thuật toán này phân chia các mẫu dựa trên mật độ, từ đó nhận diện hiệu quả các điểm mục tiêu phân bố không theo hình cầu, phù hợp cho việc phát hiện nhiều mục tiêu và nhiều hình dạng trong các tình huống giao thông.

3.2 Phát hiện mục tiêu hình ảnh
Việc phát hiện mục tiêu hình ảnh dựa trên mô hình YOLOv8n, bao gồm các thành phần Backbone, Neck và Head. Để nâng cao hơn nữa độ chính xác của việc phát hiện và hiệu quả của mô hình, bài báo này giới thiệu mạng Backbone RepViT và sử dụng hàm mất mát SIoU để tối ưu hóa quá trình hồi quy khung giới hạn.

4. Kết luận

Bài báo này đề xuất thiết kế hệ thống tích hợp radar-thị giác tầm xa dựa trên công nghệ ghép nối song song hai chip RF AWR2243. Hệ thống này nâng cao hiệu suất ăng-ten thông qua việc ghép nối phần cứng, kết hợp với các thuật toán hợp nhất đa cảm biến và mô hình phát hiện YOLOv8n được cải tiến. Hệ thống đạt độ chính xác phát hiện trên 97,1% (TP3T), với phạm vi phát hiện tối đa lên tới 350 mét, đáp ứng các yêu cầu về giám sát giao thông tầm xa trong các kịch bản Hệ thống Giao thông Thông minh (ITS). Kết quả thử nghiệm đã chứng minh tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống, mang lại giá trị ứng dụng kỹ thuật cao.