Sobre a revolução nos radares, prazos e entrada na quarta dimensão

Nos artigos de meus colegas sobre bondes não tripulados e locomotivas a dieselradares foram mencionados. Eles são amplamente utilizados na indústria automotiva para implementar recursos padrão de segurança ativa e passiva. As soluções para sistemas de controle altamente automatizados (incluindo veículos não tripulados) requerem tecnologias mais flexíveis e avançadas. Na Cognitive Pilot, uma unidade especial está envolvida em radares, que até o final de 2019 funcionavam como Design House, produzindo soluções para montadoras e fornecedores de componentes sob o modelo de contrato. Agora estamos migrando para um novo modelo de negócios e preparando uma linha de produção em massa de radares para uma ampla gama de clientes - de projetos de bricolage a start-ups e parques-piloto. Com base nas soluções utilizadas nos projetos do Cognitive Pilot, serão criados produtos acabados para os usuários que podem ser divididos em 3 categorias: “MiniRadar”, “Industrial” e “Imaging 4D”.Esses dispositivos são usados ​​ativamente em uma variedade de setores, por isso vale a pena contar mais sobre eles.

Sair para a quarta dimensão

Normalmente, os radares de carros não podem determinar a altura de um objeto, embora na indústria eles usem a designação 3D, que os não iniciados podem parecer uma jogada de marketing. Devido às propriedades físicas do sinal (efeito Doppler), eles medem 3 parâmetros [R, Az, V]: distância e ângulo (azimute) ao objeto, bem como velocidade e seu sinal (o objeto se afasta ou se aproxima do emissor). Um conjunto típico de sensores para um carro autônomo inclui câmeras de vídeo, bem como radares que operam a longo alcance em qualquer clima em sistemas de segurança ativos e capazes de fazer medições precisas de uma cena tridimensional de lidar. O último não é barato (por exemplo, o Uber instala dispositivos pelo preço de ~ US $ 120.000), mas é necessário apenas para obter uma nuvem tridimensional de pontos e não permite que você abandone outros sensores. 

Pensamos em lançar um radar capaz de substituir um lidar caro: pulando os estágios intermediários de análise, cálculo e avaliação, direi imediatamente que era completamente possível fazê-lo. No verão de 2017, o primeiro layout de prova de conceito de trabalho foi criado com um sistema de antena externa em caminhos de guias de ondas. Era necessário produzi-lo para nossas frequências (até 77 GHz) em equipamentos de precisão - para modelos seriais, esse design não era adequado devido ao volume e ao alto custo, mas o objetivo das primeiras amostras geralmente é verificar o conceito. Além disso, o radar foi construído não na base de elementos mais perfeita com o uso ativo de soluções analógicas. Ao mesmo tempo, não continha partes móveis e baseava-se na arquitetura de uma estrutura digital e na formação de gráficos digitais - é assim que os radares funcionam nos caças. A coisa principal,que o layout possibilitou provar a possibilidade fundamental de venda de produtos.


 

Então, na CES 2018, decidimos fazer a primeira versão industrial do radar 4D do mundo com um sistema de antena plana (falaremos sobre isso abaixo), capaz de medir alcance, azimute, elevação e velocidade [R, Az, Ev, V]. Para chegar a tempo do início do evento, foi necessário redesenhar completamente a peça de microondas em pouco tempo. Os parceiros se tornaram o problema: levou um mês e meio para produzir uma placa a partir de material especial de micro-ondas para o nosso projeto, e foram necessárias várias iterações para obter uma versão funcional. Tivemos que recusar os serviços de contratados estrangeiros e, na Rússia, as fábricas não trabalham com esse material. Para um projeto industrial (mas também de nível de prova de conceito em termos de material da placa de circuito impresso), decidimos escolher um parceiro próximo e compreensível - a empresa de Tomsk, NIIPP JSC.Todas as iterações para a fabricação da antena na linha de produção de cerâmica de baixa temperatura LTCC levaram cerca de um mês, pelo qual gostaria de agradecer especialmente a Evgeny Alexandrovich Monastyrev. 

Como resultado, obtivemos a placa de cerâmica mais fina de uma grande área, na qual uma antena plana foi criada. Era necessário colá-lo na caixa do radar, fixada em titânio (por causa do titânio e da cerâmica KTR, para que a placa não se quebrasse quando a temperatura mudasse), porque: os prazos estavam chegando, eu tinha que carregá-lo de avião em Moscou na bagagem. Precisávamos coletar o radar, ter tempo para testá-lo e fazer uma demonstração até 4 de janeiro. 


Crunch ... como se costuma dizer, quebrou o "prato" para a felicidade. um pedaço da mesma placa de cerâmica

Uma fotografia sob o microscópio do emparelhamento de uma antena de cerâmica e uma placa com microchips de um transceptor feito com fios de ouro com uma espessura de cabelo

A capacidade de suporte da placa de cerâmica é baixa, portanto deve ser colada a uma base rígida. Uma imprensa especial foi usada para esta operação - os especialistas do NIIPP também lidaram com isso. O momento mais dramático ocorreu nos dias 27 e 28 de dezembro, quando um produto fabricado em uma única cópia estourou durante o processo de montagem. Colegas de Tomsk entraram em nossa posição: gritando "não desistimos de nossos amigos" e "nosso em Las Vegas", os caras lançaram a linha de produção e trabalharam nos dias 30 e 31 de dezembro, para que, em 1º de janeiro, tivéssemos o sistema montado. Por 2 dias, instalamos, configuramos e depuramos completamente o hardware e, em 4 de janeiro, fizemos uma demonstração mostrando seu trabalho. Obviamente, mais tarde usamos o mesmo material importado com as propriedades de radiofrequência necessárias,mas no final de 2017, apenas uma empresa nacional conseguiu produzir um protótipo adequado a tempo. 


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« CES»

Precisávamos criar dispositivos compactos relativamente baratos, sem partes móveis, para que pequenas startups e até pessoas caseiras pudessem comprá-los. Como as leis da física não podem ser enganadas, o desenvolvimento da parte de microondas tornou-se um problema sério: para obter uma alta resolução angular, era necessário um conjunto completo de antenas em fase. Em todos os radares, instalamos sistemas de antenas planas (micro-faixas) implementadas na forma de faixas de um formato especial nas placas. Devido às altas frequências de rádio (até 81 GHz), o textolito usado na eletrônica convencional não é adequado para sua fabricação - é necessário material especial para garantir um baixo nível de atenuação do sinal por centímetro linear. 

Outro problema está relacionado ao preenchimento eletrônico do dispositivo, que deve ser compacto, mas bastante funcional. Os radares processam informações a bordo e não apenas emitem algum tipo de sinal analógico - na saída, o usuário precisa obter as coordenadas dos objetos, bem como a direção e a velocidade de seus movimentos. Nas últimas décadas, a microeletrônica fez grandes avanços e agora sistemas altamente integrados estão disponíveis no mercado que permitem implementar muitas das funções necessárias. Os modelos de última geração permitem que você faça um radar em um único chip, embora seja um dispositivo relativamente simples. O chip possui uma parte analógica, incluindo blocos de receptores e transmissores, ADCs, bem como aceleradores de hardware, que fazem, em particular, a transformação rápida de Fourier. A unidade digital possui um processador DSP (Digital Signal Processing) e um processador ARM.O nível de processamento da informação é consistente com as capacidades do próprio sensor: em radares com um pequeno número de canais e com a menor resolução no ângulo, são instalados chips correspondentes às suas necessidades. 



Todos os sensores de radar do Cognitive Pilot operam de acordo com o princípio MIMO (saída múltipla de entradas múltiplas; entradas múltiplas, saídas múltiplas - um método de codificação de sinal espacial, que permite aumentar a largura de banda do canal). Os blocos de receptores e transmissores são separados geometricamente, enquanto os transmissores podem emitir um sinal sucessivamente (divisão do tempo dos canais) ou na forma de diferentes seqüências de código (divisão do código dos canais), além de combinar essas abordagens. Dessa forma, você pode melhorar as características do radar sem complicar e aumentar o custo da estrutura. A principal vantagem aqui é a redução no número necessário de canais receptores. Nos nossos menores radares, por exemplo, 3 transmissores e 4 receptores. Os transmissores emitem simultaneamente diferentes seqüências de código, algo semelhante é feito nos padrões 3G e CDMA.Quatro receptores físicos os recebem separadamente e coletam o sinal de cada transmissor - como resultado, são obtidos 12 canais de recebimento virtuais, como resultado da qual a resolução é triplicada sem modificação do design físico. Caso contrário, para obter um resultado semelhante, seriam necessários mais 8 caminhos de recebimento, linhas e ADCs adicionais, o que complicaria o projeto e aumentaria o custo do radar por múltiplos.

Nós mesmos desenvolvemos toda a pilha de desenvolvimento: projetamos parte do micro-ondas, enchimento eletrônico e outros componentes de hardware, além de criar o design do dispositivo. O ferro é muito importante, mas apenas parte integrante do radar. Como ele funciona e quais dados podem ser extraídos dependem dos algoritmos: detecção de objetos, filtros de processamento secundário, seqüências de código - tudo isso também nos projetamos. Todo o algoritmo do modelo matemático, a partir da formação de sinais. Para fazer isso, na solução de chip único, na qual os radares da série Cognitive Pilot Mini são baseados, é incorporado um firmware bastante sofisticado. Ele pode distinguir vários subsistemas, por exemplo, para controlar periféricos analógicos ou aceleradores de hardware. A solução é configurada com flexibilidade, permitindo otimizar os fluxos de dados e seu movimento entre diferentes blocos. 

O alinhamento

Os radares da série Mini são soluções prontas de placa única que podem ser conectadas via conector CAN ou SPI (dependendo da versão), digamos, ao computador de bordo do carro e até ao microcontrolador Arduino, que é popular entre os fabricantes caseiros. Outras séries são semelhantes a elas em termos de sistemas de antena (o ângulo de visão horizontal para todos os modelos varia de 120 ° a 150 °), mas essas já são soluções mais complexas de vários módulos (microondas, processamento digital, potência e interfaces). Eles têm significativamente mais canais e, portanto, uma resolução angular muito mais alta: nos modelos industriais, por exemplo, já existem 32 receptores, o que requer um poder de computação sério.Além da placa analógica-digital principal com um conjunto de transceptores e um sistema de antena, é necessário instalar unidades de processamento digital adicionais (placas) com um processador DSP bastante poderoso e adaptador Ethernet com fonte de alimentação via cabo de rede. 



A imagem do radar 4D com um ângulo de visão horizontal de 120 ° - 150 ° ainda bombeia o feixe em um plano vertical. Sabendo em que momento o sinal refletido aparece e desaparece, você pode pegar o rumo, entender o ângulo vertical do feixe direcionado ao objeto e determinar a terceira coordenada do ponto. A versão de produção do radar 4D de primeira geração foi licenciada com vários de nossos clientes. Desde então, avançamos e agora estamos preparando uma nova solução com tecnologias mais avançadas do que as usadas em 2017. Que, a propósito, não terá restrições contratuais e, portanto, ficará disponível para uma ampla gama de usuários.


Foto do modelo atual do Imaging 4D

Os dispositivos de várias séries são diferenciados pela funcionalidade e também pela qualidade dos resultados. A série Mini foi projetada para a implementação de sistemas de frenagem de emergência, controle de cruzeiro adaptável ou monitoramento de ponto cego em carros. Os sensores industriais podem ser usados ​​em complexos industriais automatizados, em sistemas de monitoramento ou, digamos, em locomotivas a diesel, e as soluções avançadas de Imaging 4D são projetadas para veículos autônomos.

Planos futuros

Desde o início de 2020, tentamos disponibilizar as tecnologias de radar do Cognitive Pilot ao cliente em massa. Há muito progresso: uma abertura sintetizada para imagens de resolução ultra-alta, estimativa de assinaturas de objetos a partir de perturbações do micro-Doppler, super-resolução e localização com base em dados de radar.


Alta resolução - é assim que o radar vê os carros estacionados no modo de síntese de abertura.Criamos

soluções em diferentes segmentos técnicos e de preços para que os usuários possam escolher o melhor para seus projetos. Em geral, existem muitos planos, há tarefas ainda mais interessantes (não sentimos falta de P&D); nos artigos a seguir, informaremos os leitores com mais detalhes sobre as tecnologias que usamos.