Utilice los kits de radar de onda milimétrica para el rápido desarrollo de diseños de detección de objetos con precisión.

Por Stephen Evanczuk

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los diseñadores se encuentran bajo una constante presión competitiva para implementar sensores de movimiento que sean más pequeños, más precisos y que tengan un mayor rango de detección para aplicaciones en industrias tan diversas como los edificios inteligentes, la automatización de fábricas, el transporte y los drones. Mientras que la tecnología de ondas milimétricas (mmWave) emerge como una atractiva opción de detección de movimientos, los diseñadores que recién comienzan a trabajar con la tecnología mmWave encuentran desafiantes la cadena de señales de alto rendimiento y la interfaz subyacente del radar.

Para resolver estos problemas, ahora se encuentran disponibles los dispositivos mmWave y los kits de desarrollo relacionados, a fin de que los diseñadores puedan desplegar rápidamente los sistemas precisos y sofisticados de detección de movimientos.

Este artículo analizará el rol en expansión de los sistemas de detección de movimiento y explicará por qué mmWave es una buena opción en lo que respecta al rango y a la precisión. Luego, presentará un kit adecuado y mostrará cómo ponerse en marcha con él.

El rol expansivo de la detección de movimiento.

La detección de movimiento se ha convertido en una capacidad cada vez más importante en una amplia gama de aplicaciones. Además de su función como característica de conveniencia en edificios inteligentes y productos para el hogar, proporciona una característica de seguridad fundamental en aplicaciones automotrices e industriales. En cada vez más aplicaciones, la precisión y el alcance extendidos son vitales, con exclusión del uso de métodos tradicionales construidos alrededor de sensores infrarrojos pasivos o sistemas de tiempo de vuelo.

Por esta razón, la tecnología de radar de mmWave de FMCW (onda continua de frecuencia modulada) ha obtenido una mayor atención. Su uso de señales de longitud de onda corta permite la detección de objetos con una precisión submilimétrica. También puede penetrar en materiales como el plástico, los paneles de yeso y la ropa, a la vez que mantiene su alto nivel de rendimiento a pesar de las condiciones ambientales adversas, como la lluvia, la niebla, el polvo y la nieve.

Los haces ajustados de energía de mmWave se pueden enfocar y dirigir para proporcionar una detección de objetos de alta precisión y rastrear múltiples objetos a medida que se acercan entre sí.

Cómo funciona la tecnología mmWave

Si bien los detalles del procesamiento de la señal del radar de mmWave están fuera del alcance de este artículo, los principios de detección se basan en un concepto familiar que involucra la reflexión de energía por parte de un objeto. En los radares FMCW lineales, esta energía es un tono de onda milimétrica, llamado chirrido, que cambia en frecuencia linealmente con el tiempo. Después de que el sistema de radar genera y transmite un chirrido, la señal de chirrido reflejada desde un objeto de rango inferior se detecta y pasa a un mezclador. El mezclador combina las señales de RX y TX para producir una señal de IF (frecuencia intermedia).

El retraso entre la transmisión del chirrido y la detección de la señal reflejada se utiliza para calcular la distancia entre las antenas del sistema de radar y un objeto. Si el sistema de radar genera múltiples chirridos en una sola ventana o trama de observación, puede determinar la velocidad de un objeto midiendo la diferencia de fase en los chirridos reflejados correspondientes. Si se utilizan múltiples receptores, el sistema de radar también puede determinar el AoA (ángulo relativo de llegada) entre el sistema de radar y el objeto. Usando estos mismos principios con cálculos más complejos, un sistema de radar de alto rendimiento puede rastrear múltiples objetivos, que se mueven a diferentes velocidades y trayectorias.

El diseño de un sistema capaz de realizar estas operaciones combina subsistemas de RF, analógicos y digitales (Figura 1). Como parte de la cadena de señal de salida del sistema, un sintetizador de señal de RF genera el chirrido para la transmisión. En la primera etapa de la cadena de señal de entrada del sistema, un mezclador de RF combina el chirrido generado con el chirrido reflejado para producir la señal de IF. Como parte de las etapas analógicas posteriores, un filtro de paso bajo y un ADC (convertidor de analógico a digital) producen un flujo de datos digitales para el procesamiento de la señal utilizando una FFT (Transformada rápida de Fourier) y otros algoritmos.

Diagrama del diseño típico del radar de FMCW (onda continua de frecuencia modulada) de onda milimétrica

Figura 1: Un diseño típico del radar de FMCW (onda continua de frecuencia modulada) de onda milimétrica se basa en los subsistemas digitales y análogos integrados de RF para transmitir una ráfaga de energía controlada con precisión, llamada chirrido, y para procesar la señal reflejada para resolver el rango, la velocidad y el ángulo relativo de los objetos de rango inferior. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Aunque esta arquitectura fundamental se aplica a un sistema de radar de FMCW típico, las especificaciones de su diseño dependen de los requisitos de nivel de la aplicación de rango máximo de detección, resolución de rango, resolución de ángulo y demás. Por ejemplo, el rango de detección máximo es proporcional a la IF e inversamente proporcional a la pendiente de frecuencia. En consecuencia, las aplicaciones de largo alcance, como el control de crucero adaptativo automotriz, requieren un diseño capaz de soportar una alta IF y producir un chirrido con un rápido tiempo de barrido de frecuencia.

Los diseñadores que buscan optimizar el rendimiento del radar también deben lidiar con una serie de características de diseño que incluyen la potencia de salida de TX, la sensibilidad de recepción y el coeficiente de ruido, la geometría del perfil de ganancia de TX y RX y la relación señal-ruido de la señal reflejada. Además, cada aplicación trae su combinación única de factores que presenta a los desarrolladores un conjunto complejo de requisitos mutuamente dependientes.

Con su plataforma de mmWave, Texas Instruments libera a los diseñadores de muchos de los desafíos del diseño y la configuración del sistema de radar.

Solución de un solo chip mmWave

La solución mmWave de Texas Instruments combina circuitos integrados mmWave y un entorno de software integral que puede simplificar dramáticamente la implementación de aplicaciones de detectores de movimiento basadas en mmWave. Los dispositivos industriales mmWave, incluidos el IWR1443 y el IWR1642 de Texas Instruments, integran el conjunto completo de subsistemas RF, analógico y digital necesarios para generar, transmitir, recibir y procesar señales de radar de FMCW. Estos dispositivos combinan una interfaz análoga y de RF similar con un subsistema digital sofisticado (Figura 2). Dentro de esta arquitectura de interfaz, estos dispositivos integran un subsistema de transceptor de banda de FMCW de 76 a 81 gigahercios (GHz) con cuatro rutas de señal de RX dedicadas y múltiples canales de transmisión (tres en el IWR1443 y dos en el IWR1642).

Diagrama de los dispositivos mmWave IWR1443 e IWR1642 de Texas Instruments

Figura 2: Los dispositivos mmWave IWR1443 eIWR1642 de Texas Instruments se basan en una arquitectura de interfaz de usuario similar que proporcionan cuatro canales de RX y múltiples canales de TX, lo que incluye tres en el IWR1443 y dos en el IWR1642. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics, utilizando el material de fuente de Texas Instruments)

Para su subsistema digital, ambos dispositivos integran un núcleo de procesador Arm® Cortex®-R4F, que sirve como host del dispositivo en el sistema de control maestro responsable de los dispositivos periféricos, la actualización del firmware, la funda y otras funciones del host. Al utilizar su memoria ROM integrada y la memoria de datos y programas, este sistema de control maestro sirve como función principal en habilitar los dispositivos mmWave de TI para operar autónomamente dentro de un diseño de sistema más grande.

Para su subsistema de procesamiento de radar integrado, ambos dispositivos utilizan una arquitectura similar construida alrededor de un bus de 128 bits y 200 megahercios (mHz) que proporciona una tasa de producción de alta velocidad entre los recursos de memoria compartidos, incluidos los búferes ADC, la memoria de datos del radar L3, el caché y la memoria para la comunicación con el host del sistema de control maestro. Conectados a este mismo bus, los módulos DMA mejorados (EDMA) proporcionan transferencias independientes del procesador para acelerar las transferencias de datos a través de las diversas etapas del canal de procesamiento.

Para su subsistema de procesamiento de señales de radar, el IWR1443 y el IWR1642 utilizan dos enfoques diferentes. El IWR1443 incluye un acelerador especializado diseñado para acelerar el cálculo de la FFT y otros cálculos subyacentes al procesamiento de la señal del radar (Figura 3). Además, un procesador independiente Arm Cortex-R4F (sistema de radar) sirve como un host dedicado para la configuración de la interfaz, el control del subsistema de radar y la calibración.

Diagrama del dispositivo mmWave IWR1443 de Texas Instruments

Figura 3: Junto con la interfaz analógica y de RF, el dispositivo mMWave IWR1443 de Texas Instruments integra un subsistema digital que incluye un sistema de control maestro basado en Arm Cortex-R4F, un sistema RADAR basado en Arm Cortex-R4F independiente y un acelerador de FFT para acelerar el procesamiento de señales de radar. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Para su procesador de señales de radar, el IWR1642 integra un núcleo de DSP (procesador de señal digital) C674x de Texas Instruments (Figura 4). Diseñado específicamente para el procesamiento de la señal de FMCW, el DSP del IWR1642 funciona con un reloj de 600 mHz compatible con los 32 kilobytes del programa L1 (L1P) y los cachés de datos (L1d), junto con sus 256 kilobytes de programas y caché de datos L2 no identificados para acelerar las operaciones del DSP. Si es necesario, los desarrolladores pueden usar el IWR1642 estrictamente como un procesador de señales de radar.

Diagrama del dispositivo mmWave IWR1443 de Texas Instruments

Figura 4: Junto con la interfaz analógica y de RF, el dispositivo mMWave IWR1443 de Texas Instruments integra un subsistema digital que incluye un Arm Cortex-R4F, como el procesador maestro, y un núcleo de DSP (procesador de señal digital) C674x para el procesamiento de señal de radar. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los módulos de HIL (hardware en el bucle) integrados tanto en el control maestro como en los subsistemas de radar permiten que los desarrolladores utilicen los puertos de entrada del DMM (multímetro digital) del dispositivo para derivar la interfaz de RF y cargar los datos del radar en bruto en el IWR1642 para el procesamiento de señal.

Cadena de procesamiento de señal de radar

Aunque la elección del acelerador de hardware del IWR1443 o el núcleo C674x DSP del IWR1642 depende de los requisitos únicos de cada aplicación, el funcionamiento del dispositivo seleccionado en una aplicación será en gran medida transparente para la mayoría de los desarrolladores. En la arquitectura de la solución mmWave de Texas Instruments, el entorno de software de mmWave de TI puede utilizar los recursos de cualquiera de los dispositivos para ejecutar módulos funcionales, denominados unidades de procesamiento de datos (DPU), que son responsables de las transformaciones de datos individuales utilizados normalmente en el procesamiento de señales de radar. Entre las DPU de mmWave de TI, las funciones principales incluyen:

  • FFT de rango: lee datos de chirridos durante el período de adquisición dentro de la trama activa para generar la FFT unidimensional utilizada en el cálculo del rango y para producir el cubo de datos del radar. Esta es una matriz tridimensional (3D) de datos de rango, chirridos y antena almacenados en la memoria de datos de radar L3 dedicada.
  • Eliminación del estado estático: resta el valor promedio de las muestras del conjunto de muestras.
  • FFT de doppler: realiza cálculos 2D de FFT para refinar los datos del cubo del radar entre cuadros y genera la matriz de detección utilizada por los algoritmos de detección de objetos del radar.
  • CFAR: realiza el algoritmo de tasa de CFAR (falsa alarma constante) comúnmente utilizado para la detección de objetos.
  • Promedio de células de CFAR: combina la AoA con el módulo de CFAR para implementar el algoritmo de promedio de células de CFAR (CFAR-CA) comúnmente utilizado por los sistemas de radar para detectar objetos en entornos de ruidos.
  • Las DPU adicionales para la agrupación, el seguimiento de grupos y la clasificación proporcionan mejoras adicionales específicas de la aplicación de los datos de la señal del radar.

Con el SDK (kit de desarrollo de software) de TI de mmWave, los desarrolladores usan llamadas a la API (interfaz de programación de aplicaciones) del DPM (administrador de la ruta de datos) para combinar diferentes DPU en la cadena de procesamiento de detección (o datos) requerida (DPC). Por ejemplo, la implementación de una DPC para la detección de objetos (Figura 5) requiere solo algunas llamadas básicas, como se muestra en el código de muestra incluido en la distribución del SDK de mmWave de Texas Instruments (Listado 1).

Diagrama de la cadena típica de procesamiento de detección de objetos

Figura 5: Una cadena típica de procesamiento de detección de objetos combina unidades independientes de procesamiento de datos (DPU) que realizan funciones de procesamiento de señales de radar, como los cálculos de FFT de rango durante el período de adquisición, así como otras transformaciones de datos en el período entre tramas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Copiar    para(i = 0; i < RL_MAX_SUBFRAMES; i++)    {        subFrmObj = &objDetObj->subFrameObj[i];         subFrmObj->dpuRangeObj = DPU_RangeProcHWA_init(&rangeInitParams, errCode);         si (*errCode != 0)        {            goto exit;        }         subFrmObj->dpuStaticClutterObj = DPU_StaticClutterProc_init(errCode);         si (*errCode != 0)        {            goto exit;        }         subFrmObj->dpuCFARCAObj = DPU_CFARCAProcHWA_init(&cfarInitParams, errCode);         si (*errCode != 0)        {            goto exit;        }                subFrmObj->dpuDopplerObj = DPU_DopplerProcHWA_init(&dopplerInitParams, errCode);         si (*errCode != 0)        {            goto exit;        }         subFrmObj->dpuAoAObj = DPU_AoAProcHWA_init(&aoaInitParams, errCode);         si (*errCode != 0)        {            goto exit;        }    }

Listado 1: incluido en la distribución del SDK de mmWave de Texas Instruments, el código de muestra cómo este fragmento ilustra el patrón de diseño básico para crear un DPC agregando un conjunto de DPU a una estructura ObjDetObj. (Fuente del código: Texas Instruments)

Los servicios de software dentro del entorno de software en capas implementan automáticamente las DPU utilizando el subsistema de DSP (DSS), el subsistema maestro (MSS) y el acelerador, o una combinación (Figura 6). En el nivel de la aplicación, los desarrolladores utilizan la API de mmWave para acceder a los resultados de la DPU desde un DPC totalmente configurado o para acceder directamente a la interfaz de mmWave a través de la API de mmWaveLink.

Diagrama del entorno de mmWave de Texas Instruments (haga clic para ampliar)

Figura 6: El entorno de mmWave de Texas Instruments proporciona múltiples API (interfaces de programación de aplicaciones) que ocultan los detalles de las operaciones del sistema de radar para simplificar el desarrollo de aplicaciones de detección de movimiento. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Para una aplicación particular, uno de los servicios críticos proporcionados por mmWaveLink es la configuración del motor de temporización del radar interno que genera chirridos de FMCW y tramas de chirridos. Como se señaló anteriormente, las características de chirrido y tramas de chirrido determinan el rendimiento de la detección de objetos, pero las limitaciones prácticas significan que la selección de algunas configuraciones de rendimiento crean limitaciones en otras.

Por ejemplo, debido a que el rango de detección máximo es inversamente proporcional a la pendiente de frecuencia, los desarrolladores que requieren la detección de largo alcance necesitan minimizar la pendiente de frecuencia. Esto afecta el ancho de banda del barrido de frecuencia del chirrido, lo que resulta en una resolución reducida, porque la resolución del rango de detección es proporcional a esa característica del ancho de banda. De hecho, las especificaciones optimizadas para el funcionamiento del chirrido y la trama de chirrido son un factor fundamental en el diseño del radar, que requiere que los desarrolladores equilibren una serie de características del chirrido (Figura 7).

Gráfico del rango y la resolución de detección de objetos

Figura 7: El alcance y la resolución de la detección de objetos dependen fundamentalmente de las características del chirrido transmitido, lo que requiere que los desarrolladores optimicen cuidadosamente los ajustes en la configuración del generador de chirridos. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además de ofrecer una herramienta en línea del estimador de detección de mmWave para evaluar las configuraciones de chirridos, Texas Instruments ofrece una extensa base de datos de chirridos con configuraciones de chirridos recomendadas para casos de uso específicos en su caja de herramientas industrial para sensores de mmWave. Los desarrolladores pueden encontrar diseños de referencia y códigos de muestra que cubren aplicaciones desde el reconocimiento de gestos de alta resolución hasta el seguimiento de tráfico de largo alcance. Construidas alrededor de los BoosterPacks de mmWave, las aplicaciones de muestra permiten que los desarrolladores evalúen rápidamente el rendimiento de mmWave y extiendan los diseños de referencia para sus propias aplicaciones personalizadas. Por ejemplo, para evaluar el control de gestos, los desarrolladores pueden conectar un BoosterPack del EVM (módulo de evaluación) IWR1443 (IWR1443BOOST) a una conexión USB en su PC con Windows, cargar el firmware prediseñado y explorar la detección de gestos complejos como un movimiento de dedos (Figura 8) .

Imagen del EVM IWR1443BOOST de Texas Instruments y el código de muestra disponible

Figura 8: Con un EVM IWR1443BOOST de Texas Instruments y un código de muestra disponible, los desarrolladores pueden explorar aplicaciones de la tecnología mmWave para el reconocimiento dinámico de gestos de alta resolución, como el uso de un movimiento de dedos para controlar un sistema de imágenes. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Para el reconocimiento de gestos, el EVM IWR1443BOOST puede servir como la única plataforma de hardware. En otros ejemplos, Texas Instruments demuestra el uso de un BoosterPack de mmWave en combinación con sus kits de desarrollo de LaunchPad. Por ejemplo, una aplicación de seguimiento de personas combina un EVM IWR1642BOOST con un LaunchPad de MCU inalámbrico LAUNCHXLCC1352R1 para demostrar la detección y el seguimiento de personas desde un sistema de radar de implementación remota. Este diseño de referencia demuestra el impacto de diferentes configuraciones de chirridos al extender el rango máximo a expensas de la resolución (Figura 9).

Parámetro Caso 1, 6 m (MIMO), sala de conferencias Caso 2, 5 m (MIMO), ascensor Caso 2, 14 m (MIMO), espacio de oficina Caso 4, 14 m (MIMO), corredor Caso 5, 50 m (MIMO), exterior
Tipo de dispositivo IWR1642 IWR1642 IWR1642 IWR1642 IWR1642
Rango máximo (m) 5.6 5.6 14 14 50
Rango (m) 0.049 0.049 0.12 0.12 0.49
Velocidad máxima (km/h) 19.057 19.057 18.9 18.9 28.06
Resolución de velocidad (km/h) 0.297 0.297 0.297 0.297 0.449
Ancho de banda de barrido total (mHz) 3061.22 3720 1250 1250 361.3
Tasa de actualización (Hz) 20 20 20 20 30
Tamaño del cubo del radar (KB) 512 512 512 512 512
Cadena de procesamiento Conteo de personas Conteo de personas Conteo de personas Conteo de personas Seguimiento de tráfico

Figura 9: Una aplicación de ejemplo de mmWave de Texas Instruments proporciona múltiples configuraciones de chirridos, lo que permite que los desarrolladores estudien la relación entre las características de los chirridos y el rendimiento de detección. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión

La tecnología de ondas milimétricas proporciona ventajas de rango y precisión superiores a las que se pueden alcanzar con métodos anteriores. Sin embargo, para los desarrolladores, los múltiples desafíos, tanto a nivel de hardware como de software, tienen un despliegue limitado de esta tecnología. La disponibilidad de los dispositivos mmWave, las herramientas de desarrollo y un entorno de software integral de Texas Instruments reduce significativamente la barrera para la implementación de sofisticadas aplicaciones de detección y seguimiento de objetos que utilizan la tecnología mmWave.

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Acerca de este autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk tiene más de 20 años de experiencia escribiendo para y sobre la industria de electrónica en un amplio rango de temas, entre ellos hardware, software, sistemas y aplicaciones, que incluyen IoT. Se doctoróen neurociencias (redes neuronales) y trabajó en la industria aeroespacial en sistemas seguros con distribución masiva y métodos de aceleración de algoritmos. Actualmente, cuando no escribe artículos sobre tecnología e ingeniería, trabaja en aplicaciones de aprendizaje profundo sobre sistemas de reconocimiento y recomendaciones.

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