Sobre la revolución en radares, plazos y entrando en la cuarta dimensión

En los artículos de mis colegas sobre tranvías no tripulados y locomotoras dieselSe mencionaron radares. Son ampliamente utilizados en la industria automotriz para implementar características estándar de seguridad activa y pasiva. Las soluciones para sistemas de control altamente automatizados (incluidos los vehículos no tripulados) requieren tecnologías más flexibles y avanzadas. En Cognitive Pilot, una unidad especial se dedica a los radares, que hasta finales de 2019 trabajó como Design House, produciendo soluciones para fabricantes de automóviles y proveedores de componentes bajo el modelo de contrato. Ahora nos estamos moviendo hacia un nuevo modelo de negocio y estamos preparando una línea de producción en masa de radares para una amplia gama de clientes, desde proyectos de bricolaje hasta nuevas empresas y parques piloto. Sobre la base de las soluciones utilizadas en los proyectos de Cognitive Pilot, se crearán productos terminados para los usuarios, que se pueden dividir en 3 categorías: "MiniRadar", "Industrial" e "Imaging 4D".Dichos dispositivos se usan activamente en una variedad de industrias, por lo que vale la pena contar más sobre ellos.

Salir a la cuarta dimensión.

Por lo general, los radares de automóviles no pueden determinar la altura de un objeto, aunque en la industria usan la designación 3D, que los no iniciados pueden parecer una estratagema de marketing. Debido a las propiedades físicas de la señal (efecto Doppler), miden 3 parámetros [R, Az, V]: distancia y ángulo (acimut) al objeto, así como la velocidad y su signo (el objeto se aleja o se acerca al emisor). Un conjunto típico de sensores para un automóvil autónomo incluye cámaras de video, así como radares que operan a larga distancia en cualquier clima en sistemas de seguridad activos y capaces de realizar mediciones precisas de una escena lidar tridimensional. Este último no es barato (por ejemplo, Uber instala dispositivos por el precio de ~ $ 120,000), pero solo se necesita para obtener una nube tridimensional de puntos y no le permite abandonar otros sensores. 

Pensamos en lanzar un radar capaz de reemplazar un costoso LIDAR: omitiendo las etapas intermedias de análisis, cálculo y evaluación, diré de inmediato que era completamente posible hacerlo. En el verano de 2017, se creó el primer diseño de prueba de concepto funcional con un sistema de antena externo en rutas de guía de onda. Era necesario producirlo para nuestras frecuencias (hasta 77 GHz) en equipos de precisión; para los modelos en serie, este diseño no era adecuado debido al volumen y al alto costo, pero el propósito de las primeras muestras generalmente es verificar el concepto. Además, el radar no se construyó sobre la base de elementos más perfecta con el uso activo de soluciones analógicas. Al mismo tiempo, no contenía partes móviles y se basaba en la arquitectura de una red digital y la formación de gráficos digitales: así es como funcionan los radares en los luchadores. Lo principal,que el diseño permitió probar la posibilidad fundamental de venta de productos.


 

Luego, en CES 2018, decidimos hacer la primera versión industrial del mundo de un radar 4D con un sistema de antena plana (hablaremos de ello a continuación), capaz de medir el rango, el acimut, la elevación y la velocidad [R, Az, Ev, V]. Para llegar a tiempo al inicio del evento, fue necesario rediseñar completamente la parte de microondas en poco tiempo. Los socios se convirtieron en el problema: llevó un mes y medio producir una placa de material especial de microondas para nuestro proyecto, y se necesitaron varias iteraciones para obtener una versión que funcionara. Tuvimos que rechazar los servicios de contratistas extranjeros, y en Rusia las fábricas no trabajan con ese material. Para un diseño industrial (pero también de un nivel de prueba de concepto en términos de material de placa de circuito impreso), decidimos elegir un socio cercano y comprensible: la empresa Tomsk NIIPP JSC.Todas las iteraciones para la fabricación de la antena en la línea de producción de cerámica de baja temperatura LTCC tomaron aproximadamente un mes, por lo cual me gustaría agradecer personalmente a Evgeny Alexandrovich Monastyrev. 

Como resultado, obtuvimos la placa de cerámica más delgada de un área grande, en la que se crió una antena plana. Era necesario pegarlo en la caja del radar, fijarlo en una base de titanio (debido al titanio KTR y la cerámica, para que el tablero no se rompiera durante los cambios de temperatura): como los plazos se estaban quemando, tuve que llevarlo en avión desde Moscú en mi equipaje. Luego tuvimos que recoger el radar, tener tiempo para probarlo y hacer una demostración antes del 4 de enero. 


Crunch ... como dicen, rompió el "plato" de la felicidad. una pieza del mismo tablero de cerámica

Una fotografía bajo el microscopio del emparejamiento de una antena de cerámica y un tablero con microchips de un transceptor hecho con alambres de oro con un grosor de cabello

La capacidad de carga de la placa de cerámica es baja, por lo que debe pegarse a una base rígida. Se utilizó una prensa especial para esta operación; los especialistas de NIIPP también se ocuparon de esto. El momento más dramático llegó el 27 y 28 de diciembre, cuando un producto hecho en una sola copia explotó durante el proceso de ensamblaje. Los colegas de Tomsk ingresaron a nuestra posición: gritando "no renunciamos a nuestros amigos" y "los nuestros en Las Vegas", los muchachos lanzaron la línea de producción y trabajaron los días 30 y 31 de diciembre, de modo que para el 1 de enero obtendríamos el sistema ensamblado. Durante 2 días, instalamos, configuramos y depuramos completamente el hardware, y para el 4 de enero hicimos una demostración que mostraba su trabajo. Por supuesto, más tarde utilizamos el mismo material importado con las propiedades de radiofrecuencia necesarias,pero a fines de 2017, solo una empresa nacional pudo producir un prototipo adecuado a tiempo. 


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« CES»

Necesitábamos crear dispositivos compactos relativamente baratos sin partes móviles, de modo que las nuevas empresas e incluso las personas caseras pudieran pagarlos. Dado que las leyes de la física no pueden ser engañadas, el desarrollo de la parte de microondas se ha convertido en un problema grave: para obtener una alta resolución angular, se requería una matriz de antenas en fase completa. En todos los radares, instalamos sistemas de antenas planas (microstrip) implementadas en forma de pistas de una forma especial en las placas. Debido a las altas frecuencias de radio (hasta 81 GHz), la textolita utilizada en la electrónica convencional no es adecuada para su fabricación; se necesita material especial para garantizar un bajo nivel de atenuación de señal por centímetro lineal. 

Otro problema está relacionado con el llenado electrónico del dispositivo, que debe ser compacto, pero bastante funcional. Los radares procesan la información a bordo, y no solo emiten algún tipo de señal analógica: en la salida, el usuario necesita obtener las coordenadas de los objetos, así como la dirección y la velocidad de su movimiento. En las últimas décadas, la microelectrónica ha avanzado mucho, y ahora hay sistemas altamente integrados disponibles en el mercado que le permiten implementar muchas de las funciones necesarias. Los modelos de última generación le permiten hacer un radar en un solo chip, aunque será un dispositivo relativamente simple. El chip tiene una parte analógica, que incluye bloques de receptores y transmisores, ADC, así como aceleradores de hardware, que hacen, en particular, la rápida transformación de Fourier. La unidad digital tiene un procesador DSP (Procesamiento de señal digital) y un procesador ARM.El nivel de procesamiento de la información es consistente con las capacidades del sensor en sí: en radares con un pequeño número de canales y la resolución más baja en el ángulo, se instalan chips correspondientes a sus necesidades. 



Todos los sensores de radar Cognitive Pilot funcionan de acuerdo con el principio MIMO (Entrada múltiple Salida múltiple; entradas múltiples, salidas múltiples: un método de codificación de señal espacial que permite aumentar el ancho de banda del canal). Los bloques de receptores y transmisores están separados geométricamente, mientras que los transmisores pueden emitir una señal a su vez (división de tiempo de canales) o en forma de diferentes secuencias de código (división de código de canales), así como combinar estos enfoques. De esta manera, puede mejorar las características del radar sin complicar y aumentar el costo de la estructura. La principal ventaja aquí es la reducción en el número requerido de canales de recepción. En nuestros radares más pequeños, por ejemplo, 3 transmisores y 4 receptores. Los transmisores emiten simultáneamente diferentes secuencias de código, algo similar se hace en los estándares 3G y CDMA.Cuatro receptores físicos los reciben por separado y recogen la señal de cada transmisor; como resultado, se obtienen 12 canales de recepción virtuales, por lo que la resolución se triplica sin modificar el diseño físico. De lo contrario, para lograr un resultado similar, se necesitarían 8 rutas de recepción más, líneas y ADC adicionales, lo que complicaría el diseño y aumentaría el costo del radar en múltiples.

Nosotros mismos hacemos todo el desarrollo: diseñamos parte del microondas, el relleno electrónico y otros componentes de hardware, así como también creamos el diseño del dispositivo. El hierro es muy importante, pero solo una parte integral del radar. Cómo funciona y qué datos se pueden extraer depende de los algoritmos: detección de objetos, filtros de procesamiento secundario, secuencias de código; todo esto también lo diseñamos nosotros mismos. Todo el algoritmo del modelo matemático, a partir de la formación de señales. Para hacer esto, en la solución de un solo chip, en la que se basan los radares de la serie Cognitive Pilot Mini, se integra un firmware bastante sofisticado. Puede distinguir varios subsistemas, por ejemplo, para controlar periféricos analógicos o aceleradores de hardware. La solución está configurada de manera flexible, lo que le permite optimizar los flujos de datos y su movimiento entre diferentes bloques. 

La alineación

Los radares de la serie Mini son soluciones de placa única preparadas que se pueden conectar a través del conector CAN o SPI (según la versión), por ejemplo, a la computadora a bordo del automóvil e incluso al microcontrolador Arduino, que es popular entre los fabricantes caseros. Otras series son similares a ellas en términos de sistemas de antena (el ángulo de visión horizontal para todos los modelos varía de 120 ° a 150 °), pero estas son soluciones más complejas de varios módulos (microondas, procesamiento digital, alimentación e interfaces). Tienen significativamente más canales y, por lo tanto, una resolución angular mucho más alta: en los modelos industriales, por ejemplo, ya hay 32 receptores, lo que requiere una gran potencia informática.Además de la placa principal analógico-digital con un conjunto de transceptores y un sistema de antena, debe instalar unidades de procesamiento digital (placas) adicionales con un procesador DSP bastante potente y un adaptador Ethernet con fuente de alimentación a través de un cable de red. 



Las imágenes de radar 4D con un ángulo de visión horizontal de 120 ° - 150 ° todavía bombean el haz en un plano vertical. Al saber en qué momento aparece y desaparece la señal reflejada, puede tomar la orientación, comprender el ángulo vertical del haz dirigido al objeto y determinar la tercera coordenada del punto. La versión de producción del radar 4D de primera generación fue autorizada por varios de nuestros clientes. Desde entonces, hemos avanzado y ahora estamos preparando una nueva solución con tecnologías más avanzadas que las utilizadas en 2017. Que, por cierto, no tendrá restricciones contractuales y, por lo tanto, estará disponible para una amplia gama de usuarios.


Foto del modelo actual de Imaging 4D

Los dispositivos de varias series se distinguen por la funcionalidad, así como por la calidad de los resultados. La serie Mini está diseñada para la implementación de sistemas de frenado de emergencia, control de crucero adaptativo o monitoreo de punto ciego en automóviles. Los sensores industriales se pueden usar en complejos industriales automatizados, en sistemas de monitoreo o, por ejemplo, en locomotoras diesel, y las soluciones avanzadas de Imaging 4D están diseñadas para vehículos autónomos.

Planes futuros

Desde principios de 2020, hemos estado tratando de poner las tecnologías de radar Cognitive Pilot a disposición del cliente masivo. Hay bastante progreso: una apertura sintetizada para imágenes de resolución ultra alta, estimación de firmas de objetos basadas en perturbaciones micro-Doppler, súper resolución, localización basada en datos de radar.


Alta resolución: así es como el radar ve los automóviles estacionados en modo de síntesis de apertura.

Creamos soluciones en diferentes segmentos técnicos y de precios para que los usuarios puedan elegir lo mejor para sus proyectos. En general, hay muchos planes, hay tareas aún más interesantes (no nos perdemos la investigación y el desarrollo), por lo que en los siguientes artículos informaremos a los lectores con más detalle sobre las tecnologías que utilizamos.