Über die Revolution in Radar, Fristen und den Eintritt in die vierte Dimension

In den Artikeln meiner Kollegen über unbemannte Straßenbahnen und DiesellokomotivenRadargeräte wurden erwähnt. Sie werden in der Automobilindustrie häufig verwendet, um standardmäßige aktive und passive Sicherheitsfunktionen zu implementieren. Lösungen für hochautomatisierte Steuerungssysteme (einschließlich unbemannter Fahrzeuge) erfordern flexiblere und fortschrittlichere Technologien. Bei Cognitive Pilot beschäftigt sich eine Spezialeinheit mit Radargeräten, die bis Ende 2019 als Design House tätig waren und im Rahmen des Vertragsmodells Lösungen für Autohersteller und Zulieferer herstellten. Jetzt wechseln wir zu einem neuen Geschäftsmodell und bereiten eine Massenproduktion von Radargeräten für eine breite Palette von Kunden vor - von DIY-Projekten bis hin zu Start-ups und Pilotparks. Auf der Grundlage der in Cognitive Pilot-Projekten verwendeten Lösungen werden fertige Produkte für Benutzer erstellt, die in drei Kategorien unterteilt werden können: „MiniRadar“, „Industrial“ und „Imaging 4D“.Solche Geräte werden in einer Vielzahl von Branchen aktiv eingesetzt, daher lohnt es sich, mehr darüber zu erzählen.

Gehe in die vierte Dimension

Normalerweise können Autoradare die Höhe eines Objekts nicht bestimmen, obwohl sie in der Industrie die 3D-Bezeichnung verwenden, die der Uneingeweihte wie ein Marketingtrick erscheinen mag. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Signals (Doppler-Effekt) messen sie 3 Parameter [R, Az, V]: Abstand und Winkel (Azimut) zum Objekt sowie Geschwindigkeit und Vorzeichen (das Objekt bewegt sich weg oder nähert sich dem Emitter). Ein typischer Satz von Sensoren für ein selbstfahrendes Auto umfasst Videokameras sowie Radargeräte, die bei jedem Wetter in aktiven Sicherheitssystemen in großer Entfernung arbeiten und in der Lage sind, eine dreidimensionale Lidarszene genau zu messen. Letzteres ist nicht billig (z. B. installiert Uber Geräte zum Preis von ~ 120.000 US-Dollar), wird jedoch nur benötigt, um eine dreidimensionale Punktwolke zu erhalten, und ermöglicht es Ihnen nicht, andere Sensoren aufzugeben. 

Wir haben darüber nachgedacht, ein Radar herauszubringen, das ein teures Lidar ersetzen kann: Wenn ich die Zwischenstufen der Analyse, Berechnung und Bewertung überspringe, kann ich sofort sagen, dass es durchaus möglich war, es herzustellen. Im Sommer 2017 wurde das erste funktionierende Proof-of-Concept-Layout mit einem externen Antennensystem auf Wellenleiterpfaden erstellt. Es war notwendig, es für unsere Frequenzen (bis zu 77 GHz) auf Präzisionsgeräten herzustellen - für Serienmodelle war dieses Design aufgrund der Sperrigkeit und der hohen Kosten nicht geeignet, aber der Zweck der ersten Proben besteht normalerweise darin, das Konzept zu verifizieren. Darüber hinaus wurde das Radar unter aktiver Verwendung analoger Lösungen nicht auf der perfektesten Elementbasis aufgebaut. Gleichzeitig enthielt es keine beweglichen Teile und basierte auf der Architektur eines digitalen Gitters und einer digitalen Kartenformation - so funktionieren Radargeräte in Kämpfern. Die Hauptsache,dass das Layout es ermöglichte, die grundsätzliche Möglichkeit des Produktverkaufs nachzuweisen.


 

Dann, bis zur CES 2018, beschlossen wir, die weltweit erste industrielle Version des 4D-Radars mit einem planaren Antennensystem (wir werden weiter unten darauf eingehen) herzustellen, das Reichweite, Azimut, Höhe und Geschwindigkeit messen kann [R, Az, Ev, V]. Um rechtzeitig zum Beginn der Veranstaltung zu sein, musste der Mikrowellenteil in kurzer Zeit komplett neu gestaltet werden. Die Partner wurden zum Problem: Es dauerte anderthalb Monate, um eine Platine aus speziellem Mikrowellenmaterial für unser Projekt herzustellen, und es dauerte mehrere Iterationen, um eine funktionierende Version zu erhalten. Wir mussten die Dienste ausländischer Auftragnehmer ablehnen, und in Russland arbeiten Fabriken nicht mit solchem ​​Material. Für ein Industriedesign (aber auch für ein Proof-of-Concept-Niveau in Bezug auf Leiterplattenmaterial) haben wir uns für einen engen und verständlichen Partner entschieden - das Tomsker Unternehmen NIIPP JSC.Alle Iterationen für die Herstellung der Antenne auf der LTCC-Produktionslinie für Niedertemperaturkeramik dauerten ungefähr einen Monat, wofür ich mich ganz persönlich bei Evgeny Alexandrovich Monastyrev bedanken möchte. 

Als Ergebnis erhielten wir die dünnste Keramikplatte einer großen Fläche, auf der eine planare Antenne gezüchtet wurde. Es musste in das Radargehäuse geklebt werden, das auf einem Titan befestigt war (wegen KTR-Titan und Keramik, damit die Platte bei Temperaturänderungen nicht brach), weil: die Fristen eingehalten wurden, musste ich es mit dem Flugzeug aus Moskau in meinem Gepäck tragen. Dann mussten wir das Radar sammeln, Zeit haben, es zu testen und bis zum 4. Januar eine Demo zu erstellen. 


Crunch ... wie sie sagen, brach den "Teller" für das Glück. ein Stück derselben Keramikplatte

Eine Fotografie unter dem Mikroskop der Paarung einer Keramikantenne und einer Platte mit Mikrochips eines Transceivers, hergestellt aus Golddrähten mit einer Haardicke

Die Tragfähigkeit der Keramikplatte ist gering, daher muss sie auf eine starre Basis geklebt werden. Für diese Operation wurde eine Spezialpresse eingesetzt - auch die NIIPP-Spezialisten haben sich damit befasst. Der dramatischste Moment kam vom 27. bis 28. Dezember, als ein Produkt, das in einer einzigen Kopie hergestellt wurde, während des Montageprozesses platzte. Die Kollegen aus Tomsk traten in unsere Position ein: Sie riefen "Wir geben unsere Freunde nicht auf" und "Unsere in Las Vegas", starteten die Produktionslinie und arbeiteten am 30. und 31. Dezember, damit wir bis zum 1. Januar das zusammengebaute System bekommen würden. Wir haben die Hardware 2 Tage lang vollständig installiert, konfiguriert und debuggt. Bis zum 4. Januar haben wir eine Demo erstellt, die ihre Arbeit zeigt. Natürlich haben wir später dasselbe importierte Material mit den erforderlichen Hochfrequenzeigenschaften verwendet.Ende 2017 konnte jedoch nur ein inländisches Unternehmen rechtzeitig einen geeigneten Prototyp produzieren. 


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« CES»

Wir mussten relativ kostengünstige Kompaktgeräte ohne bewegliche Teile herstellen, damit sich kleine Startups und sogar selbstgemachte Leute sie leisten konnten. Da die Gesetze der Physik nicht getäuscht werden können, ist die Entwicklung des Mikrowellenteils zu einem ernsthaften Problem geworden: Um eine hohe Winkelauflösung zu erhalten, war ein vollwertiges phasengesteuertes Antennenarray erforderlich. In allen Radargeräten installieren wir planare (Mikrostreifen-) Antennensysteme, die in Form von Spuren einer speziellen Form auf den Platinen implementiert sind. Aufgrund der hohen Funkfrequenzen (bis zu 81 GHz) ist der in der konventionellen Elektronik verwendete Textolit nicht für deren Herstellung geeignet - spezielles Material wird benötigt, um eine geringe Signaldämpfung pro linearem Zentimeter zu gewährleisten. 

Ein weiteres Problem betrifft die elektronische Befüllung des Geräts, die kompakt, aber durchaus funktionsfähig sein sollte. Radargeräte verarbeiten Informationen an Bord und geben nicht nur ein analoges Signal aus. Am Ausgang muss der Benutzer die Koordinaten der Objekte sowie die Richtung und Geschwindigkeit ihrer Bewegung ermitteln. In den letzten Jahrzehnten hat die Mikroelektronik große Fortschritte gemacht, und jetzt sind hochintegrierte Systeme auf dem Markt erhältlich, mit denen Sie viele der erforderlichen Funktionen implementieren können. Mit den Modellen der neuesten Generation können Sie ein Radar auf einem einzigen Chip erstellen, obwohl dies ein relativ einfaches Gerät ist. Der Chip hat einen analogen Teil, der Empfänger- und Sendeblöcke, ADCs sowie Hardwarebeschleuniger enthält, die insbesondere eine schnelle Fourier-Transformation bewirken. Die digitale Einheit verfügt über einen DSP-Prozessor (Digital Signal Processing) und einen ARM-Prozessor.Der Grad der Informationsverarbeitung entspricht den Fähigkeiten des Sensors selbst: Bei Radargeräten mit einer geringen Anzahl von Kanälen und der niedrigsten Auflösung im Winkel werden Chips installiert, die ihren Anforderungen entsprechen. 



Alle Radarsensoren von Cognitive Pilot arbeiten nach dem MIMO-Prinzip (Multiple Input Multiple Output; Multiple Inputs, Multiple Outputs - eine Methode zur räumlichen Signalcodierung, mit der die Kanalbandbreite erhöht werden kann). Die Blöcke von Empfängern und Sendern sind geometrisch getrennt, während die Sender wiederum ein Signal (Zeitteilung von Kanälen) oder in Form verschiedener Codesequenzen (Codeteilung von Kanälen) aussenden sowie diese Ansätze kombinieren können. Auf diese Weise können Sie die Eigenschaften des Radars verbessern, ohne die Kosten der Struktur zu komplizieren und zu erhöhen. Das Hauptplus hierbei ist die Reduzierung der erforderlichen Anzahl von Empfangskanälen. In unseren kleinsten Radargeräten zum Beispiel 3 Sender und 4 Empfänger. Die Sender senden gleichzeitig unterschiedliche Codesequenzen aus, ähnlich wie bei den 3G- und CDMA-Standards.Vier physische Empfänger empfangen sie separat und sammeln das Signal von jedem Sender. Dadurch werden 12 virtuelle Empfangskanäle erhalten, wodurch sich die Auflösung verdreifacht, ohne die physische Struktur zu ändern. Andernfalls wären 8 weitere Empfangspfade, Leitungen und zusätzliche ADCs erforderlich, um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen, was das Design erschweren und die Kosten des Radars um ein Vielfaches erhöhen würde.

Wir machen den gesamten Entwicklungsstapel selbst: Wir entwerfen einen Teil der Mikrowelle, der elektronischen Füllung und anderer Hardwarekomponenten sowie das Design des Geräts. Eisen ist ein sehr wichtiger, aber nur ein wesentlicher Bestandteil des Radars. Wie es funktioniert und welche Daten daraus entnommen werden können, hängt von den Algorithmen ab: Objekterkennung, Sekundärverarbeitungsfilter, Codesequenzen - all dies entwerfen wir auch selbst. Der gesamte Algorithmus des mathematischen Modells ausgehend von der Signalbildung. Zu diesem Zweck ist in die Single-Chip-Lösung, auf der die Radargeräte der Cognitive Pilot Mini-Serie basieren, eine recht ausgefeilte Firmware eingebettet. Es kann verschiedene Subsysteme unterscheiden, um beispielsweise analoge Peripheriegeräte oder Hardwarebeschleuniger zu steuern. Die Lösung ist flexibel konfiguriert, sodass Sie den Datenfluss und dessen Bewegung zwischen verschiedenen Blöcken optimieren können. 

Die Aufstellung

Radargeräte der Mini-Serie sind vorgefertigte Einplatinenlösungen, die über den CAN- oder SPI-Anschluss (je nach Version) beispielsweise an den Bordcomputer des Autos und sogar an den bei Heimwerkern beliebten Arduino-Mikrocontroller angeschlossen werden können. Andere Serien ähneln ihnen in Bezug auf Antennensysteme (der horizontale Betrachtungswinkel für alle Modelle reicht von 120 ° bis 150 °), aber dies sind bereits komplexere Lösungen aus mehreren Modulen (Mikrowelle, digitale Verarbeitung, Stromversorgung und Schnittstellen). Sie haben deutlich mehr Kanäle und damit eine viel höhere Winkelauflösung: In Industriemodellen gibt es beispielsweise bereits 32 Empfänger, die viel Rechenleistung erfordern.Neben der Haupt-Analog-Digital-Karte mit einem Satz Transceiver und einem Antennensystem müssen hier zusätzliche digitale Prozessoreinheiten (Karten) mit einem recht leistungsstarken DSP-Prozessor und einem Ethernet-Adapter mit Stromversorgung über ein Netzwerkkabel installiert werden. 



Das 4D-Radar mit einem horizontalen Betrachtungswinkel von 120 ° - 150 ° pumpt den Strahl immer noch in einer vertikalen Ebene. Wenn Sie wissen, zu welchem ​​Zeitpunkt das reflektierte Signal erscheint und verschwindet, können Sie die Peilung nehmen, den vertikalen Winkel des auf das Objekt gerichteten Strahls verstehen und die dritte Koordinate des Punkts bestimmen. Die Serienversion des 4D-Radars der ersten Generation wurde von mehreren unserer Kunden lizenziert. Seitdem sind wir vorangekommen und bereiten jetzt eine neue Lösung mit fortschrittlicheren Technologien vor als 2017. Die übrigens keine vertraglichen Beschränkungen haben und daher einer Vielzahl von Nutzern zur Verfügung stehen.


Foto des aktuellen Imaging 4D-Modells

Geräte verschiedener Serien zeichnen sich durch Funktionalität sowie die Qualität der Ergebnisse aus. Die Mini-Serie ist für die Implementierung von Notbremssystemen, adaptiver Geschwindigkeitsregelung oder Überwachung des toten Winkels in Autos konzipiert. Industrielle Sensoren können in automatisierten Industriekomplexen, in Überwachungssystemen oder beispielsweise in Diesellokomotiven eingesetzt werden, und fortschrittliche Imaging 4D-Lösungen sind für selbstfahrende Fahrzeuge konzipiert.

Zukunftspläne

Seit Anfang 2020 versuchen wir, dem Massenkunden Radartechnologien von Cognitive Pilot zur Verfügung zu stellen. Es gibt ziemlich viele Fortschritte: eine synthetisierte Apertur für Bilder mit ultrahoher Auflösung, Schätzung von Objektsignaturen basierend auf Mikro-Doppler-Störungen, Superauflösung, Lokalisierung basierend auf Radardaten.


Hohe Auflösung - so sieht das Radar geparkte Autos im Blendensynthesemodus.

Wir erstellen Lösungen in verschiedenen technischen und Preissegmenten, damit Benutzer das Beste für ihre Projekte auswählen können. Im Allgemeinen gibt es viele Pläne, es gibt noch coolere Aufgaben (wir verpassen F & E nicht). In den folgenden Artikeln werden wir die Leser detaillierter über die von uns verwendeten Technologien informieren.