Tentang revolusi dalam radar, tenggat waktu dan memasuki dimensi keempat

Dalam artikel rekan-rekan saya tentang trem tanpa awak dan lokomotif dieselradar disebutkan. Mereka banyak digunakan dalam industri otomotif untuk menerapkan fitur keselamatan aktif dan pasif standar. Solusi untuk sistem kontrol yang sangat otomatis (termasuk kendaraan tanpa awak) membutuhkan teknologi yang lebih fleksibel dan canggih. Di Cognitive Pilot, sebuah unit khusus bergerak dalam radar, yang hingga akhir 2019 bekerja sebagai Design House, menghasilkan solusi untuk pembuat mobil dan pemasok komponen di bawah model kontrak. Sekarang kami pindah ke model bisnis baru dan sedang mempersiapkan lini produksi massal radar untuk berbagai pelanggan - dari proyek DIY hingga start-up dan taman percontohan. Atas dasar solusi yang digunakan dalam proyek Cognitive Pilot, produk jadi untuk pengguna akan dibuat yang dapat dibagi menjadi 3 kategori: "MiniRadar", "Industrial" dan "Imaging 4D".Perangkat tersebut secara aktif digunakan di berbagai industri, jadi ada baiknya menceritakan lebih banyak tentang mereka.

Keluar ke dimensi keempat

Biasanya radar mobil tidak dapat menentukan ketinggian suatu objek, meskipun dalam industri mereka menggunakan penunjukan 3D, yang orang yang belum tahu mungkin tampak seperti taktik pemasaran. Karena sifat fisik sinyal (efek Doppler), mereka mengukur 3 parameter [R, Az, V]: jarak dan sudut (azimuth) ke objek, serta kecepatan dan tanda (objek bergerak menjauh atau mendekati emitor). Serangkaian sensor khas untuk mobil self-driving termasuk kamera video, serta radar yang beroperasi dalam jarak jauh dalam segala cuaca dalam sistem keselamatan aktif dan mampu membuat pengukuran akurat adegan lidar tiga dimensi. Yang terakhir ini tidak murah (katakanlah, Uber menginstal perangkat dengan harga ~ $ 120.000), tetapi diperlukan hanya untuk mendapatkan awan tiga dimensi poin dan tidak memungkinkan Anda untuk meninggalkan sensor lain. 

Kami berpikir untuk melepaskan radar yang mampu menggantikan lidar yang mahal: melewatkan tahap menengah analisis, perhitungan dan evaluasi, saya akan katakan segera bahwa itu sangat mungkin untuk membuatnya. Pada musim panas 2017, tata letak proof-of-concept yang berfungsi pertama kali dibuat dengan sistem antena eksternal pada jalur pandu gelombang. Itu diperlukan untuk memproduksinya untuk frekuensi kami (hingga 77 GHz) pada peralatan presisi - untuk model seri desain ini tidak cocok karena kekakuan dan biaya tinggi, tetapi tujuan dari sampel pertama biasanya untuk memverifikasi konsep. Selain itu, radar dibangun di atas bukan basis elemen yang paling sempurna dengan penggunaan aktif solusi analog. Pada saat yang sama, itu tidak mengandung bagian yang bergerak dan didasarkan pada arsitektur kisi digital dan formasi grafik digital - beginilah cara radar bekerja dalam pesawat tempur. Hal utama,bahwa tata letak memungkinkan untuk membuktikan kemungkinan mendasar dari penjualan produk.


 

Kemudian, pada CES 2018, kami memutuskan untuk membuat versi industri pertama dari radar 4D dengan sistem antena planar (kami akan membicarakannya di bawah), yang mampu mengukur jangkauan, azimuth, ketinggian dan kecepatan [R, Az, Ev, V]. Agar tepat waktu untuk dimulainya acara, perlu untuk mendesain ulang sepenuhnya bagian microwave dalam waktu singkat. Mitra menjadi masalah: butuh satu setengah bulan untuk menghasilkan papan dari bahan microwave khusus untuk proyek kami, dan butuh beberapa iterasi untuk mendapatkan versi yang berfungsi. Kami harus menolak jasa kontraktor asing, dan di Rusia pabrik tidak bekerja dengan bahan seperti itu. Untuk desain industri (tetapi juga tingkat pembuktian konsep dalam hal materi papan sirkuit cetak), kami memutuskan untuk memilih mitra yang dekat dan mudah dipahami - perusahaan Tomsk, NIIPP JSC.Semua iterasi untuk pembuatan antena pada jalur produksi keramik suhu rendah LTCC memakan waktu sekitar satu bulan, yang mana saya ingin mengucapkan terima kasih khusus kepada Evgeny Alexandrovich Monastyrev. 

Hasilnya, kami mendapatkan pelat keramik tertipis di area yang luas, tempat antena planar ditanam. Itu diperlukan untuk dilekatkan ke kasing radar, dipasang pada titanium (karena titanium KTR dan keramik, sehingga papan tidak akan pecah selama perubahan suhu) pangkalan: karena tenggat waktu terbakar, saya harus membawanya dengan pesawat dari Moskow di bagasi saya. Kemudian kami perlu mengumpulkan radar, punya waktu untuk mengujinya dan membuat demo paling lambat 4 Januari. 


Crunch ... seperti yang mereka katakan, memecahkan "piring" untuk kebahagiaan. selembar papan keramik yang sama

Sebuah foto di bawah mikroskop pasangan antena keramik dan papan dengan microchip dari transceiver yang dibuat menggunakan kabel emas dengan ketebalan rambut

Daya dukung papan keramik rendah, sehingga harus dilem dengan dasar yang kaku. Pers khusus digunakan untuk operasi ini - spesialis NIIPP juga menangani ini. Momen paling dramatis datang pada 27-28 Desember, ketika sebuah produk yang dibuat dalam satu salinan meledak selama proses perakitan. Kolega dari Tomsk memasuki posisi kami: berteriak “kami tidak melepaskan teman-teman kami” dan “milik kami di Las Vegas”, mereka meluncurkan jalur produksi dan bekerja pada 30 dan 31 Desember, sehingga pada 1 Januari kami akan mendapatkan sistem rakitan. Selama 2 hari, kami sepenuhnya menginstal, mengkonfigurasi dan mendebug perangkat keras, dan pada 4 Januari kami membuat demo yang menunjukkan pekerjaannya. Tentu saja, nanti kami menggunakan bahan impor yang sama dengan properti frekuensi radio yang diperlukan,tetapi pada akhir 2017, hanya perusahaan domestik yang dapat menghasilkan prototipe yang tepat waktu. 


: , ..


« CES»

Kami perlu membuat perangkat kompak yang relatif murah tanpa memindahkan suku cadang, sehingga startup kecil dan bahkan orang-orang rumahan bisa membelinya. Karena hukum fisika tidak dapat dibohongi, pengembangan bagian gelombang mikro telah menjadi masalah serius: untuk mendapatkan resolusi sudut yang tinggi, diperlukan array antena bertahap. Di semua radar, kami memasang sistem antena planar (microstrip) yang diimplementasikan dalam bentuk trek dengan bentuk khusus di papan. Karena frekuensi radio yang tinggi (hingga 81 GHz), textolite yang digunakan dalam elektronik konvensional tidak cocok untuk pembuatannya - bahan khusus diperlukan untuk memastikan tingkat redaman sinyal yang rendah per sentimeter linier. 

Masalah lain terkait dengan pengisian elektronik perangkat, yang harus kompak, tetapi cukup fungsional. Radar memproses informasi di papan, dan tidak hanya memberikan semacam sinyal analog - pada output yang dibutuhkan pengguna untuk mendapatkan koordinat objek, serta arah dan kecepatan gerakan mereka. Dalam beberapa dekade terakhir, mikroelektronika telah membuat langkah besar, dan sekarang sistem yang sangat terintegrasi tersedia di pasar yang memungkinkan Anda untuk mengimplementasikan banyak fungsi yang diperlukan. Model generasi terbaru memungkinkan Anda membuat radar pada satu chip, meskipun itu akan menjadi perangkat yang relatif sederhana. Chip ini memiliki bagian analog, termasuk blok penerima dan pemancar, ADC, serta akselerator perangkat keras, yang membuat, khususnya, transformasi Fourier cepat. Unit digital memiliki prosesor DSP (Digital Signal Processing) dan prosesor ARM.Tingkat pemrosesan informasi konsisten dengan kemampuan sensor itu sendiri: dalam radar dengan sejumlah kecil saluran dan resolusi terendah di sudut, chip yang sesuai dengan kebutuhan mereka dipasang. 



Semua sensor radar Pilot Kognitif bekerja sesuai dengan prinsip MIMO (Multiple Input Multiple Output; multiple input, multiple outputs - metode pengkodean sinyal spasial, yang memungkinkan peningkatan bandwidth saluran). Blok penerima dan pemancar terpisah secara geometris, sedangkan pemancar dapat memancarkan sinyal pada gilirannya (pembagian waktu saluran) atau dalam bentuk urutan kode yang berbeda (pembagian kode saluran), serta menggabungkan pendekatan ini. Dengan cara ini, Anda dapat meningkatkan karakteristik radar tanpa menyulitkan dan meningkatkan biaya struktur. Nilai tambah utama di sini adalah pengurangan jumlah saluran penerima yang diperlukan. Dalam radar terkecil kami, misalnya, 3 pemancar dan 4 penerima. Pemancar secara bersamaan memancarkan urutan kode yang berbeda, sesuatu yang serupa dilakukan dalam standar 3G dan CDMA.Empat penerima fisik secara terpisah menerimanya dan mengumpulkan sinyal dari masing-masing pemancar - sebagai hasilnya, 12 saluran penerimaan virtual diperoleh, akibatnya resolusi tiga kali lipat tanpa modifikasi desain fisik. Jika tidak, untuk mencapai hasil yang serupa, 8 jalur penerimaan lebih banyak, garis dan ADC tambahan akan diperlukan, yang akan menyulitkan desain dan meningkatkan biaya radar oleh banyak.

Kami mengerjakan sendiri seluruh tumpukan pengembangan: kami merancang bagian dari microwave, isian elektronik, dan komponen perangkat keras lainnya, serta membuat desain perangkat. Besi adalah bagian yang sangat penting, tetapi hanya bagian dari radar. Cara kerjanya dan data apa yang dapat ditarik darinya tergantung pada algoritme: deteksi objek, filter pemrosesan sekunder, urutan kode - semua ini juga kami desain sendiri. Seluruh algoritma dari model matematika, mulai dari pembentukan sinyal. Untuk melakukan ini, dalam solusi chip tunggal, di mana radar seri Mini Cognitive Pilot didasarkan, firmware yang cukup canggih tertanam. Ini dapat membedakan berbagai subsistem, misalnya, untuk mengontrol perangkat analog atau akselerator perangkat keras. Solusi ini dikonfigurasi secara fleksibel, memungkinkan Anda untuk mengoptimalkan aliran data dan perpindahannya di antara blok yang berbeda. 

Lineup

Radar seri mini adalah solusi papan tunggal siap pakai yang dapat dihubungkan melalui konektor CAN atau SPI (tergantung pada versinya), misalnya, ke komputer on-board mobil dan bahkan ke mikrokontroler Arduino, yang populer di kalangan produsen DIY. Seri lain mirip dengan mereka dalam hal sistem antena (sudut pandang horizontal untuk semua model berkisar dari 120 ° hingga 150 °), tetapi ini sudah solusi yang lebih kompleks dari beberapa modul (microwave, pemrosesan digital, daya dan antarmuka). Mereka memiliki lebih banyak saluran secara signifikan, dan karenanya memiliki resolusi sudut yang jauh lebih tinggi: dalam model Industri, misalnya, sudah ada 32 penerima, yang membutuhkan daya komputasi yang serius.Selain papan analog-digital utama dengan satu set transceiver dan sistem antena, Anda harus menginstal unit pemrosesan digital tambahan (papan) dengan prosesor DSP yang agak kuat dan adaptor Ethernet dengan catu daya melalui kabel jaringan. 



Pencitraan radar 4D dengan sudut pandang horizontal 120 ° - 150 ° masih memancarkan sinar pada bidang vertikal. Mengetahui kapan sinyal pantulan muncul dan menghilang, Anda dapat mengambil arah, memahami sudut vertikal balok yang diarahkan pada objek dan menentukan koordinat ketiga titik tersebut. Versi produksi radar 4D generasi pertama dilisensikan dengan beberapa pelanggan kami. Sejak itu, kami telah bergerak maju dan sekarang sedang mempersiapkan solusi baru dengan teknologi yang lebih maju daripada yang digunakan pada 2017. Ngomong-ngomong, tidak akan memiliki batasan kontrak, dan karenanya akan tersedia untuk berbagai pengguna.


Foto model 4D Pencitraan saat ini

Perangkat dari berbagai seri dibedakan berdasarkan fungsinya, serta kualitas hasilnya. Seri mini dirancang untuk penerapan sistem pengereman darurat, kontrol jelajah adaptif atau pemantauan blind spot di mobil. Sensor industri dapat digunakan di kompleks industri otomatis, dalam sistem pemantauan atau, katakanlah, di lokomotif diesel, dan solusi Imaging 4D canggih dirancang untuk kendaraan yang dapat mengemudi sendiri.

Rencana masa depan

Sejak awal 2020, kami telah berusaha membuat teknologi radar Pilot Kognitif tersedia bagi pelanggan massal. Ada cukup banyak kemajuan: aperture yang disintesis untuk gambar dengan resolusi sangat tinggi, estimasi tanda tangan objek dari gangguan micro-Doppler, resolusi super, lokalisasi berdasarkan data radar.


Resolusi tinggi - ini adalah bagaimana radar melihat mobil yang diparkir dalam mode sintesis apertur.

Kami menciptakan solusi dalam segmen teknis dan harga yang berbeda sehingga pengguna dapat memilih yang terbaik untuk proyek mereka. Secara umum, ada banyak rencana, bahkan ada tugas yang lebih keren (kami tidak ketinggalan R&D), jadi dalam artikel berikut ini kami akan memberi tahu pembaca lebih detail tentang teknologi yang kami gunakan.