Uso dei kit radar a onde millimetriche per sviluppare rapidamente progetti di rilevamento preciso di oggetti

La concorrenza agguerrita spinge i progettisti a implementare sensori di movimento più piccoli, più precisi e con una portata di rilevamento maggiore per applicazioni dedicate a settori diversi come quelli degli edifici intelligenti, dell'automazione industriale, del trasporto e dei droni. Un'opzione interessante che sta emergendo per il rilevamento del movimento è la tecnologia a onde millimetriche (mmWave), ma i progettisti che non la conoscono incontrano difficoltà con il front-end radar sottostante e con la catena di segnali ad alte prestazioni.

Per venire a capo di questi problemi, oggi sono disponibili dispositivi mmWave corredati da kit di sviluppo che permettono di implementare rapidamente sistemi di rilevamento del movimento più sofisticati e precisi.

Questo articolo tratterà del ruolo crescente dei sistemi di rilevamento del movimento e spiegherà perché mmWave è un'opzione valida in termini di portata di rilevamento e precisione. Presenterà poi un kit idoneo e mostrerà come capirne rapidamente il funzionamento.

Il ruolo in espansione del rilevamento del movimento

Il rilevamento del movimento si è imposto come una capacità sempre più importante in un'ampia gamma di applicazioni. Oltre al suo ruolo come funzionalità comoda negli edifici intelligenti e nei prodotti per la casa, costituisce una caratteristica di sicurezza critica nelle applicazioni industriali e per il settore automotive. Sempre più applicazioni richiedono imprescindibilmente portata estesa e precisione, cosa che preclude l'uso dei metodi tradizionali basati su sensori passivi a infrarossi o sistemi basati sul tempo di volo.

Questo spiega l'affermazione della tecnologia radar a onda continua modulata in frequenza (FMCW). Il suo uso di segnali a lunghezza d'onda corta consente di rilevare oggetti con precisione submillimetrica. Può anche penetrare materiali come plastica, cartongesso e indumenti, mantenendo però il suo alto livello di prestazioni nonostante condizioni ambientali difficili come pioggia, nebbia, polvere e neve.

È possibile mettere a fuoco e indirizzare fasci stretti di energia mmWave per ottenere un rilevamento estremamente preciso e tener traccia di più oggetti mentre si muovono restando molto vicini l'uno all'altro.

Come funziona la tecnologia mmWave

Anche se i dettagli dell'elaborazione dei segnali radar mmWave esulano dallo scopo di questo articolo, i principi di rilevamento si basano su un concetto noto che implica la riflessione di energia da parte di un oggetto. I radar FMCW lineari, trasmettono energia con un tono di segnale sotto forma di onda elettromagnetica millimetrica continua modulata in frequenza, detta chirp. La frequenza cambia in modo lineare nel tempo. Poiché il segnale trasmesso ha una frequenza che cambia nel tempo, è possibile determinare la differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e quello riflesso dal target mixando i due segnali al fine di ottenere un terzo segnale che può essere sfruttato per determinare la distanza e/o la velocità del target. Dunque il mixer combina i segnali RX e TX per produrre un segnale di frequenza intermedia (IF).

Per calcolare la distanza tra le antenne del sistema radar e un oggetto viene utilizzato anche il ritardo tra la trasmissione del chirp e il rilevamento del segnale riflesso (anche detto battimento). Se il sistema radar genera più chirp in una singola finestra di osservazione (o frame) può determinare la velocità di un oggetto misurando la differenza di fase nei corrispondenti chirp riflessi. Se vengono utilizzati più ricevitori, il sistema radar può determinare anche l'angolo di arrivo (AoA) relativo tra il sistema radar e l'oggetto. Servendosi di questi stessi principi con calcoli più complessi, un sistema radar ad alte prestazioni può tracciare più bersagli che si muovono a velocità e con traiettorie diverse.

Il progetto di un sistema in grado di eseguire queste operazioni combina sottosistemi RF, analogici e digitali (Figura 1). Come parte della catena di segnali di uscita del sistema, un sintetizzatore di segnali RF genera il chirp per la trasmissione. Nel primo stadio della catena di segnali di ingresso del sistema, un mixer RF combina il chirp generato con quello riflesso per produrre il segnale IF. Come parte dei successivi stadi analogici, un filtro passa-basso e un convertitore analogico/digitale (ADC) producono un flusso di dati digitali per l'elaborazione dei segnali utilizzando una trasformata di Fourier veloce (FFT) e altri algoritmi.

Figura 1: Un tipico progetto di un radar a onda continua modulata in frequenza (FMCW) si basa su sottosistemi RF, analogici e digitali strettamente integrati per trasmettere un burst di energia controllato con precisione chiamato chirp ed elaborare il segnale riflesso per risolvere la distanza, la velocità e l'angolo relativo degli oggetti sul percorso. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Sebbene questa architettura fondamentale si applichi a un tipico sistema radar FMCW, le specifiche del suo progetto dipendono dai requisiti a livello di applicazione per la massima portata di rilevamento, la risoluzione in distanza, angolo e altro ancora Ad esempio, la portata massima di rilevamento è proporzionale all'IF e inversamente proporzionale alla pendenza della frequenza. Di conseguenza, applicazioni a lungo raggio come il controllo della velocità di crociera adattivo per autoveicoli richiedono un progetto in grado di supportare un IF elevato e produrre un chirp con un tempo rapido di spazzolamento della frequenza.

I progettisti che desiderano ottimizzare le prestazioni del radar devono occuparsi anche di numerose caratteristiche di progettazione, tra cui la potenza in uscita TX, la sensibilità RX e la cifra di rumore, la geometria del profilo di guadagno TX e RX dell'antenna e il rapporto segnale/rumore del segnale riflesso. Inoltre, ogni applicazione richiede una combinazione unica di fattori, mettendo gli sviluppatori di fronte a una serie complessa di requisiti interdipendenti.

Con la sua piattaforma mmWave, Texas Instruments offre ai progettisti una soluzione per le molte sfide di progettazione e di configurazione di un sistema radar.

Soluzione mmWave a chip singolo

La soluzione mmWave di Texas Instruments combina CI mmWave e un ambiente software completo che può semplificare notevolmente l'implementazione di applicazioni di rilevatori di movimento basate su mmWave. Dispositivi mmWave industriali come IWR1443 e IWR1642 di Texas Instruments integrano il set completo di sottosistemi RF, analogici e digitali richiesti per generare, trasmettere, ricevere ed elaborare i segnali radar FMCW. Questi dispositivi combinano un front-end RF/analogico simile con un sofisticato sottosistema digitale (Figura 2). All'interno di questa architettura front-end, questi dispositivi integrano un sottosistema completo di transceiver FMCW nella banda fra 76 e 81 GHz con quattro percorsi del segnale RX dedicati e più canali TX (tre in IWR1443 e due in IWR1642).

Figura 2: I dispositivi mmWave IWR1443 e IWR1642 di Texas Instruments poggiano su un'architettura front-end simile, offrendo quattro canali RX separati e più canali TX di cui tre in IWR1443 e due in IWR1642. (Immagine per gentile concessione di DigiKey con materiale di Texas Instruments)

Per il loro sottosistema digitale, entrambi i dispositivi integrano un core processore Arm® Cortex®-R4F, che funge da host del dispositivo nel sistema di controllo master responsabile delle periferiche del dispositivo, dell'aggiornamento del firmware, dell'avvio e di altre funzioni host. Servendosi della sua memoria ROM e della memoria di programma/dati integrate, questo sistema di controllo master svolge un ruolo fondamentale nel permettere ai dispositivi mmWave di TI di funzionare autonomamente all'interno di un progetto di sistema allargato.

Per il loro sottosistema di elaborazione radar integrato, entrambi i dispositivi utilizzano un'architettura simile costruita attorno a un bus a 128 bit, 200 MHz che fornisce un throughput ad alta velocità tra le risorse di memoria condivisa, inclusi i buffer ADC, la memoria dati L3 del radar, la cache e la memoria per la comunicazione con l'host del sistema di controllo master. Collegati a questo stesso bus, dei moduli DMA potenziati (EDMA) assicurano trasferimenti indipendenti dal processore per accelerare i trasferimenti dei dati attraverso le varie fasi della pipeline di elaborazione.

Per il loro sottosistema di elaborazione del segnale radar, IWR1443 e IWR1642 utilizzano due approcci diversi. IWR1443 include un acceleratore specializzato studiato per accelerare il calcolo FFT e altri calcoli alla base dell'elaborazione del segnale radar (Figura 3). Inoltre, un processore Arm Cortex-R4F separato (sistema radar) funge da host dedicato per la configurazione front-end, il controllo del sottosistema radar e la calibrazione.

Figura 3: Oltre al front-end analogico e RF, il dispositivo mmWave IWR1443 di Texas Instruments integra un sottosistema digitale che include un sistema di controllo master basato su Arm Cortex-R4F, un sistema RADAR separato basato su Arm Cortex-R4F e un acceleratore FFT per accelerare l'elaborazione del segnale radar. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per il suo processore di segnali digitali, IWR1642 integra un core processore di segnali digitali (DSP) C674x di Texas Instruments (Figura 4). Progettato appositamente per l'elaborazione del segnale FMCW, DSP IWR1642 funziona con un clock a 600 MHz supportato da 32 kB di cache del programma L1 (L1P) e dei dati (L1d), oltre ai suoi 256 kB di cache L2 unificata del programma/dati per accelerare le operazioni del DSP. Se necessario, gli sviluppatori possono utilizzare IWR1642 esclusivamente come processore di segnali radar.

Figura 4: Oltre al front-end RF/analogico, il dispositivo mmWave IWR1443 di Texas Instruments integra un sottosistema digitale che include un Arm Cortex-R4F come processore master e un core di elaborazione dei segnali digitali (DSP) C674x di Texas Instruments per l'elaborazione dei segnali radar. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I moduli Hardware-in-the-Loop (HIL) integrati sia nei sottosistemi di controllo master che in quelli radar consentono agli sviluppatori di utilizzare le porte di ingresso del modulo di modifica dei dati (DMM) del dispositivo per bypassare il front-end RF e caricare in IWR1642 i dati non elaborati del radar per l'elaborazione del segnale.

Catena di elaborazione del segnale radar

Anche se la scelta dell'acceleratore hardware di IWR1443 o del core DSP C674x di IWR1642 dipende dai requisiti specifici di ogni applicazione, la maggior parte degli sviluppatori non avrà problemi a capire il funzionamento del dispositivo selezionato in un'applicazione. Nell'architettura della soluzione mmWave di Texas Instruments, l'ambiente software mmWave di TI può utilizzare le risorse di entrambi i dispositivi per eseguire moduli funzionali, chiamati unità di elaborazione dati (DPU), che sono responsabili delle singole trasformazioni dei dati normalmente utilizzate nell'elaborazione del segnale radar. Fra le DPU mmWave di TI, le funzioni chiave comprendono:

• FFT di campo: legge i dati del chirp durante il periodo di acquisizione all'interno del frame attivo per generare la FFT monodimensionale utilizzata per il calcolo del campo e produrre il cubo dati del radar. Si tratta di una matrice tridimensionale (3D) dei dati relativi a campo, chirp e antenna conservati nella memoria dedicata dei dati del radar L3.
• Rimozione del clutter statico: sottrae il valore della media dei campioni dal set di campioni.
• FFT doppler: esegue i calcoli FFT 2D per affinare i dati del cubo del radar tra i frame e genera la matrice di rilevamento utilizzata dagli algoritmi di rilevamento degli oggetti radar.
• CFAR: esegue l'algoritmo CFAR (frequenza di segnalazione costante di falsi allarmi) comunemente usato per il rilevamento di oggetti.
• CA (Cell-Averaging) CFAR: combina l'AoA al modulo CFAR per implementare l'algoritmo Cell-Averaging CFAR (CFAR-CA) comunemente usato dai sistemi radar per rilevare gli oggetti di fronte a sfondi di rumore.
• Ulteriori DPU per clustering, inseguimento del gruppo e classificazione permettono ulteriori affinamenti dei dati del segnale radar specifici per l'applicazione.

Tramite il kit di sviluppo software (SDK) mmWave di TI, gli sviluppatori utilizzano le chiamate all'interfaccia API di DPM (Data Path Manager) per combinare diverse DPU nella catena di elaborazione del rilevamento (DPC) (o dati) richiesta. Ad esempio, l'implementazione di una DPC per il rilevamento di oggetti (Figura 5) richiede solo alcune chiamate di base, come dimostrato nel codice di esempio incluso nella distribuzione SDK mmWave di Texas Instruments (Listato 1).

Figura 5: Una tipica catena di elaborazione del rilevamento di oggetti combina unità di elaborazione dati (DPU) separate che eseguono funzioni di elaborazione del segnale radar come i calcoli FFT durante il periodo di acquisizione, nonché altre trasformazioni dei dati nel periodo inter-frame. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

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    for(i = 0; i < RL_MAX_SUBFRAMES; i++)
    {
        subFrmObj = &objDetObj->subFrameObj[i];
 
        subFrmObj->dpuRangeObj = DPU_RangeProcHWA_init(&rangeInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuStaticClutterObj = DPU_StaticClutterProc_init(errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuCFARCAObj = DPU_CFARCAProcHWA_init(&cfarInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
        
        subFrmObj->dpuDopplerObj = DPU_DopplerProcHWA_init(&dopplerInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuAoAObj = DPU_AoAProcHWA_init(&aoaInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
    } 

Listato 1: Il codice di esempio come questo frammento, incluso nella distribuzione SDK mmWave di Texas Instruments, illustra il modello di progettazione di base per la creazione di una DPC aggiungendo una serie di DPU a una struttura ObjDetObj. (Fonte del codice: Texas Instruments)

I servizi software all'interno dell'ambiente software a livelli implementano automaticamente le DPU utilizzando il sottosistema DSP (DSS), il sottosistema master (MSS) e l'acceleratore o una loro combinazione (Figura 6). A livello di applicazione, gli sviluppatori utilizzano l'API mmWave per accedere ai risultati della DPU da una DPC completamente configurata oppure per accedere direttamente al front-end mmWave tramite l'API mmWaveLink.

Figura 6: L'ambiente mmWave di Texas Instruments fornisce diverse API che nascondono i dettagli delle operazioni del sistema radar per semplificare lo sviluppo di applicazioni di rilevamento del movimento. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per una particolare applicazione, uno dei servizi fondamentali forniti da mmWaveLink è la configurazione del motore di temporizzazione radar interno che genera chirp FMCW e frame di chirp. Come notato prima, le caratteristiche del chirp e del frame di chirp determinano le prestazioni di rilevamento degli oggetti, ma delle limitazioni pratiche fanno sì che la selezione di alcune impostazioni delle prestazioni crei limitazioni in altre.

Ad esempio, dal momento che la portata di rilevamento massima è inversamente proporzionale alla pendenza della frequenza, gli sviluppatori che richiedono il rilevamento a lungo raggio devono ridurre al minimo tale pendenza. Questa riduzione incide sulla larghezza di banda dello spazzolamento della frequenza del chirp e comporta una risoluzione ridotta poiché la risoluzione in distanza di rilevamento è proporzionale alla caratteristica di quella larghezza di banda. Le specifiche ottimizzate per il funzionamento del chirp e del frame di chirp sono un fattore cruciale nella progettazione del radar e richiedono che gli sviluppatori trovino il giusto equilibrio tra numerose caratteristiche del chirp (Figura 7).

Figura 7: La portata di rilevamento degli oggetti e la risoluzione dipendono fortemente dalle caratteristiche del chirp trasmesso. Gli sviluppatori devono pertanto ottimizzare attentamente le impostazioni nella configurazione del generatore di chirp. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Oltre a offrire un tool di stima del rilevamento mmWave online per valutare le impostazioni del chirp, Texas Instruments mette a disposizione un ricco database di chirp con le configurazioni consigliate per specifici casi d'uso nella sua toolbox industriale per sensori mmWave. Gli sviluppatori possono trovare progetti di riferimento e codici di esempio che coprono applicazioni che vanno dal riconoscimento dei gesti ad alta risoluzione al monitoraggio del traffico a lungo raggio. Costruite partendo dai BoosterPack mmWave, le applicazioni di esempio consentono agli sviluppatori di valutare rapidamente le prestazioni di mmWave e di ampliare i progetti di riferimento per le proprie applicazioni personalizzate. Ad esempio, per valutare il controllo dei gesti, gli sviluppatori possono connettere un modulo di valutazione (EVM) BoosterPack IWR1443 (IWR1443BOOST) a una connessione USB sul loro PC Windows, caricare il firmware preinstallato ed esplorare il rilevamento di gesti complessi come la rotazione di un dito (Figura 8).

Figura 8: Utilizzando un EVM IWR1443BOOST di Texas Instruments e il codice di campionamento disponibile, gli sviluppatori possono esplorare le applicazioni della tecnologia mmWave per il riconoscimento dinamico dei gesti ad alta risoluzione, ad esempio l'uso di un dito che si muove per controllare un sistema di imaging. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per il riconoscimento dei gesti, l'EVM IWR1443BOOST può fungere da piattaforma hardware autonoma. In altri esempi, Texas Instruments dimostra l'uso di un BoosterPack mmWave in combinazione con i suoi kit di sviluppo LaunchPad. Ad esempio, un'applicazione per rilevare il movimento delle persone combina un EVM IWR1642BOOST con un LaunchPad MCU wireless LAUNCHXLCC1352R1 per dimostrare il rilevamento e il monitoraggio delle persone da un sistema radar installato in remoto. Questo progetto di riferimento dimostra l'impatto delle diverse impostazioni del chirp estendendo la portata massima a scapito della risoluzione (Figura 9).

Figura 9: Un'applicazione mmWave di esempio di Texas Instruments fornisce configurazioni multiple di chirp, consentendo agli sviluppatori di studiare la relazione tra le caratteristiche del chirp e le prestazioni di rilevamento. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Conclusione

La tecnologia a onde millimetriche offre vantaggi in termini di distanza e precisione molto superiori a quelli che era possibile ottenere con i metodi precedenti. Tuttavia, le numerose sfide che pone agli sviluppatori a livello sia hardware che software ne hanno limitato la diffusione. I dispositivi mmWave, gli strumenti di sviluppo e l'ambiente software completo messi a disposizione da Texas Instruments riducono in modo significativo le barriere all'implementazione di applicazioni sofisticate di rilevamento e inseguimento di oggetti utilizzando la tecnologia mmWave.