Sur la révolution des radars, les délais et l'entrée dans la quatrième dimension

Dans les articles de mes collègues sur les tramways sans pilote et les locomotives dieselles radars ont été mentionnés. Ils sont largement utilisés dans l'industrie automobile pour mettre en œuvre des fonctions de sécurité actives et passives standard. Les solutions pour les systèmes de contrôle hautement automatisés (y compris les véhicules sans pilote) nécessitent des technologies plus flexibles et avancées. Chez Cognitive Pilot, une unité spéciale est engagée dans les radars qui, jusqu'à la fin de 2019, travaillaient comme Design House, produisant des solutions pour les constructeurs automobiles et les fournisseurs de composants dans le cadre du modèle de contrat. Nous passons maintenant à un nouveau modèle commercial et préparons une ligne de production en série de radars pour un large éventail de clients - des projets de bricolage aux start-ups et parcs pilotes. Sur la base des solutions utilisées dans les projets Cognitive Pilot, des produits finis pour les utilisateurs seront créés, qui peuvent être divisés en 3 catégories: «MiniRadar», «Industrial» et «Imaging 4D».Ces appareils sont activement utilisés dans diverses industries, il vaut donc la peine d'en dire plus à leur sujet.

Sortie vers la quatrième dimension

Habituellement, les autoradios ne peuvent pas déterminer la hauteur d'un objet, bien que dans l'industrie, ils utilisent la désignation 3D, que les non-initiés peuvent sembler être un stratagème de marketing. En raison des propriétés physiques du signal (effet Doppler), ils mesurent 3 paramètres [R, Az, V]: la distance et l'angle (azimut) par rapport à l'objet, ainsi que la vitesse et son signe (l'objet s'éloigne ou s'approche de l'émetteur). Un ensemble typique de capteurs pour une voiture autonome comprend des caméras vidéo, ainsi que des radars fonctionnant à longue distance par tous les temps dans des systèmes de sécurité active et capables de mesurer avec précision une scène lidar tridimensionnelle. Ce dernier n'est pas bon marché (disons, Uber installe des appareils pour le prix de ~ 120 000 $), mais n'est nécessaire que pour obtenir un nuage de points en trois dimensions et ne vous permet pas d'abandonner d'autres capteurs. 

Nous avons pensé à sortir un radar capable de remplacer un lidar cher: en sautant les étapes intermédiaires d'analyse, de calcul et d'évaluation, je dirai tout de suite qu'il était tout à fait possible de le faire. À l'été 2017, la première mise en page de preuve de concept fonctionnelle a été créée avec un système d'antenne externe sur les chemins de guide d'ondes. Il était nécessaire de le produire pour nos fréquences (jusqu'à 77 GHz) sur des équipements de précision - pour les modèles en série, cette conception n'était pas appropriée en raison de l'encombrement et du coût élevé, mais le but des premiers échantillons est généralement de vérifier le concept. De plus, le radar n'a pas été construit sur la base d'éléments la plus parfaite avec l'utilisation active de solutions analogiques. En même temps, il ne contenait pas de pièces mobiles et était basé sur l'architecture d'un réseau numérique et la formation de cartes numériques - c'est ainsi que les radars fonctionnent chez les combattants. La chose principale,que la disposition a permis de prouver la possibilité fondamentale de la vente de produits.


 

Puis, au CES 2018, nous avons décidé de fabriquer la première version industrielle du radar 4D au monde avec un système d'antenne planaire (nous en parlerons ci-dessous), capable de mesurer la portée, l'azimut, l'élévation et la vitesse [R, Az, Ev, V]. Pour être à l'heure pour le début de l'événement, il a fallu repenser complètement la partie micro-ondes en peu de temps. Les partenaires sont devenus le problème: il a fallu un mois et demi pour produire une carte à partir d'un matériau micro-ondes spécial pour notre projet, et il a fallu plusieurs itérations pour obtenir une version fonctionnelle. Nous avons dû refuser les services d'entrepreneurs étrangers et, en Russie, les usines ne travaillent pas avec ce matériel. Pour un design industriel (mais aussi de niveau de preuve de concept en matière de carte de circuit imprimé), nous avons décidé de choisir un partenaire proche et compréhensible - la société Tomsk NIIPP JSC.Toutes les itérations pour la fabrication de l'antenne sur la ligne de production de céramique basse température LTCC ont pris environ un mois, pour lequel je voudrais remercier personnellement Evgeny Alexandrovich Monastyrev. 

En conséquence, nous avons obtenu la plaque en céramique la plus mince d'une grande surface, sur laquelle une antenne plane a été créée. Elle devait être collée dans le boîtier radar, fixé sur un support en titane (à cause du titane KTR et de la céramique, afin que la planche ne se casse pas lors des changements de température): comme les délais étaient en train de brûler, je devais le transporter en avion de Moscou dans mes bagages. Ensuite, nous devions récupérer le radar, avoir le temps de le tester et faire une démo avant le 4 janvier. 


Crunch ... comme on dit, a cassé la "plaque" du bonheur. un morceau de la même planche en céramique

Une photographie au microscope de l'appariement d'une antenne en céramique et d'une planche avec des micropuces d'un émetteur-récepteur faites à l'aide de fils d'or avec une épaisseur de cheveux

La capacité portante du panneau en céramique est faible, il doit donc être collé sur une base rigide. Une presse spéciale a été utilisée pour cette opération - les spécialistes du NIIPP s'en sont également occupés. Le moment le plus dramatique est survenu du 27 au 28 décembre, lorsqu'un produit fabriqué en un seul exemplaire a éclaté pendant le processus d'assemblage. Des collègues de Tomsk sont entrés dans notre position: en criant «nous n'abandonnons pas nos amis» et «les nôtres à Las Vegas», les gars ont lancé la chaîne de production et ont travaillé les 30 et 31 décembre, de sorte qu'au 1er janvier, nous aurions le système assemblé. Pendant 2 jours, nous avons complètement installé, configuré et débogué le matériel, et le 4 janvier, nous avons fait une démo montrant son travail. Bien sûr, plus tard, nous avons utilisé le même matériau importé avec les propriétés de radiofréquence nécessaires,mais fin 2017, seule une entreprise nationale a pu produire à temps un prototype adapté. 


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« CES»

Nous devions créer des appareils compacts relativement peu coûteux sans pièces mobiles, de sorte que les petites startups et même les gens de maison puissent se les offrir. Les lois de la physique ne pouvant être trompées, le développement de la partie hyperfréquence est devenu un problème sérieux: pour obtenir une résolution angulaire élevée, un réseau d'antennes phased à part entière était nécessaire. Dans tous les radars, nous installons des systèmes d'antennes planes (microruban) mises en œuvre sous la forme de pistes d'une forme spéciale sur les cartes. En raison des hautes fréquences radio (jusqu'à 81 GHz), le textolite utilisé dans l'électronique conventionnelle ne convient pas à leur fabrication - un matériau spécial est nécessaire pour assurer un faible niveau d'atténuation du signal par centimètre linéaire. 

Un autre problème est lié au remplissage électronique de l'appareil, qui devrait être compact, mais assez fonctionnel. Les radars traitent les informations à bord et ne diffusent pas seulement une sorte de signal analogique - en sortie, l'utilisateur a besoin d'obtenir les coordonnées des objets, ainsi que la direction et la vitesse de leur mouvement. Au cours des dernières décennies, la microélectronique a fait de grands progrès, et maintenant des systèmes hautement intégrés sont disponibles sur le marché qui vous permettent de mettre en œuvre de nombreuses fonctions nécessaires. Les modèles de dernière génération vous permettent de créer un radar sur une seule puce, même si ce sera un appareil relativement simple. La puce a une partie analogique, comprenant des blocs de récepteurs et d'émetteurs, des ADC, ainsi que des accélérateurs matériels, qui permettent notamment une transformation de Fourier rapide. L'unité numérique possède un processeur DSP (Digital Signal Processing) et un processeur ARM.Le niveau de traitement de l'information est conforme aux capacités du capteur lui-même: dans les radars avec un petit nombre de canaux et la résolution la plus faible dans l'angle, des puces correspondant à leurs besoins sont installées. 



Tous les capteurs radar Cognitive Pilot fonctionnent selon le principe MIMO (entrées multiples sorties multiples; entrées multiples, sorties multiples - une méthode de codage spatial du signal, qui permet d'augmenter la bande passante du canal). Les blocs de récepteurs et d'émetteurs sont géométriquement séparés, tandis que les émetteurs peuvent émettre un signal à tour de rôle (division temporelle des canaux) ou sous forme de séquences de codes différentes (division de code des canaux), ainsi qu'en combinant ces approches. De cette façon, vous pouvez améliorer les caractéristiques du radar sans compliquer et augmenter le coût de la structure. Le principal avantage ici est la réduction du nombre requis de canaux de réception. Dans nos plus petits radars, par exemple, 3 émetteurs et 4 récepteurs. Les émetteurs émettent simultanément différentes séquences de codes, quelque chose de similaire est fait dans les normes 3G et CDMA.Quatre récepteurs physiques les reçoivent séparément et collectent le signal de chaque émetteur - en conséquence, 12 canaux de réception virtuels sont obtenus, ce qui permet de tripler la résolution sans modification de la conception physique. Sinon, pour obtenir un résultat similaire, 8 trajets de réception, lignes et ADC supplémentaires seraient nécessaires, ce qui compliquerait la conception et augmenterait le coût du radar par plusieurs.

Nous réalisons nous-mêmes l'ensemble de la pile de développement: nous concevons une partie du micro-ondes, du rembourrage électronique et d'autres composants matériels, ainsi que la conception de l'appareil. Le fer est très important, mais seulement une partie intégrante du radar. Le fonctionnement et les données pouvant en être extraites dépendent des algorithmes: détection d'objet, filtres de traitement secondaire, séquences de code - tout cela, nous le concevons également nous-mêmes. L'ensemble de l'algorithme du modèle mathématique, à partir de la formation des signaux. Pour ce faire, dans la solution monopuce, sur laquelle sont basés les radars de la série Cognitive Pilot Mini, un firmware assez sophistiqué est intégré. Il peut distinguer différents sous-systèmes, par exemple, pour contrôler des périphériques analogiques ou des accélérateurs matériels. La solution est configurée de manière flexible, vous permettant d'optimiser les flux de données et leur déplacement entre les différents blocs. 

La programmation

Les radars de la série Mini sont des solutions à carte unique prêtes à l'emploi qui peuvent être connectées via le connecteur CAN ou SPI (selon la version), par exemple, à l'ordinateur de bord de la voiture et même au microcontrôleur Arduino, qui est populaire auprès des fabricants de bricolage. D'autres séries leur ressemblent en termes de systèmes d'antennes (l'angle de vision horizontal pour tous les modèles varie de 120 ° à 150 °), mais ce sont déjà des solutions plus complexes de plusieurs modules (micro-ondes, traitement numérique, alimentation et interfaces). Ils ont beaucoup plus de canaux, et donc une résolution angulaire beaucoup plus élevée: dans les modèles industriels, par exemple, il y a déjà 32 récepteurs, ce qui nécessite une puissance de calcul importante.En plus de la carte analogique-numérique principale avec un ensemble d'émetteurs-récepteurs et un système d'antenne, vous devez installer des unités de traitement numérique supplémentaires (cartes) avec un processeur DSP plutôt puissant et un adaptateur Ethernet avec alimentation via un câble réseau. 



L'imagerie radar 4D avec un angle de vision horizontal de 120 ° - 150 ° pompe toujours le faisceau dans un plan vertical. En sachant à quel moment le signal réfléchi apparaît et disparaît, vous pouvez prendre le relèvement, comprendre l'angle vertical du faisceau dirigé vers l'objet et déterminer la troisième coordonnée du point. La version de production du radar 4D de première génération a été concédée sous licence à plusieurs de nos clients. Depuis lors, nous avons progressé et préparons maintenant une nouvelle solution avec des technologies plus avancées que celles utilisées en 2017. Qui, soit dit en passant, n'aura pas de restrictions contractuelles et sera donc disponible pour un large éventail d'utilisateurs.


Photo du modèle d'imagerie 4D actuel

Les appareils de différentes séries se distinguent par leur fonctionnalité, ainsi que par la qualité des résultats. La mini série est conçue pour la mise en œuvre de systèmes de freinage d'urgence, de régulateur de vitesse adaptatif ou de surveillance des angles morts dans les voitures. Les capteurs industriels peuvent être utilisés dans des complexes industriels automatisés, dans des systèmes de surveillance ou, disons, dans des locomotives diesel, et les solutions d'imagerie 4D avancées sont conçues pour les véhicules autonomes.

Plans futurs

Depuis le début de 2020, nous essayons de mettre les technologies radar Cognitive Pilot à la disposition du grand public. Il y a pas mal de progrès: une ouverture synthétisée pour les images ultra haute résolution, estimation des signatures d'objets basées sur des perturbations micro-Doppler, super-résolution, localisation basée sur des données radar.


Haute résolution - c'est ainsi que le radar voit les voitures garées en mode synthèse d'ouverture.Nous

créons des solutions dans différents segments techniques et de prix afin que les utilisateurs puissent choisir le meilleur pour leurs projets. En général, il existe de nombreux plans, il y a encore plus de tâches intéressantes (nous ne manquons pas de R&D), donc dans les articles suivants, nous expliquerons aux lecteurs plus en détail les technologies que nous utilisons.