Utilisation de kits radars à ondes millimétriques pour développer rapidement des conceptions de détection d'objet de précision

Les concepteurs subissent une pression concurrentielle constante en ce qui concerne l'implémentation de détecteurs de mouvement toujours plus compacts, plus précis et avec une plage de détection supérieure dans des applications de secteurs variés comme les immeubles connectés, l'automatisation industrielle, le transport et les drones. Si la technologie à ondes millimétriques (mmWave) émerge comme une solution de détection de mouvement intéressante, la chaîne de signaux hautes performances et les circuits d'entrée radars sous-jacents constituent des défis pour les concepteurs non initiés à ce type de technologie.

Pour résoudre ces problèmes, des dispositifs à ondes millimétriques et les kits de développement associés sont maintenant accessibles aux concepteurs pour leur permettre de déployer des systèmes de détection de mouvement précis et sophistiqués.

Cet article traite du rôle croissant des systèmes de détection de mouvement et explique la raison pour laquelle la technologie à ondes millimétriques est une excellente solution pour la portée et la précision. Il présente ensuite un exemple de kit adapté avec son mode d'emploi.

Rôle croissant de la détection de mouvement

La détection de mouvement est devenue une capacité de plus en plus importante dans une vaste gamme d'applications. Outre son rôle de fonctionnalité pratique dans les immeubles connectés et les produits domestiques, elle fournit une fonctionnalité de sécurité essentielle dans les applications automobiles et industrielles. Une portée et une précision accrues sont vitales pour un nombre croissant d'applications, ce qui écarte l'utilisation des méthodes traditionnelles basées sur des capteurs infrarouges passifs ou des systèmes temps de vol.

Par conséquent, la technologie radar mmWave de type onde continue modulée en fréquence (FMCW) a suscité un intérêt croissant. Elle utilise des signaux de courte longueur d'onde permettant la détection d'objets avec une précision submillimétrique. Elle peut également traverser de nombreuses matières (plastique, cloison sèche, vêtement) tout en maintenant des performances élevées malgré des conditions environnementales difficiles, comme la pluie, le brouillard, la poussière et la neige.

Les faisceaux étroits d'énergie mmWave peuvent être focalisés et redirigés pour fournir une détection très précise des objets et localiser plusieurs objets relativement proches en mouvement.

Fonctionnement de la technologie mmWave

Même si cet article n'aborde pas le traitement des signaux radars à ondes millimétriques, les principes de détection se basent sur un concept familier impliquant la réflexion de l'énergie par un objet. Dans les radars FMCW linéaires, cette énergie constitue un son à ondes millimétriques, appelé chirp (gazouillis), qui change de fréquence linéairement avec le temps. Après la génération et la transmission d'un chirp par le système radar, le signal du chirp réfléchi depuis un objet en aval est détecté et transmis à un mélangeur. Le mélangeur combine les signaux RX et TX pour produire un signal de fréquence intermédiaire (IF).

Le délai entre la transmission du chirp et la détection du signal réfléchi sert au calcul de la distance entre les antennes du système radar et l'objet. Si le système radar génère plusieurs chirps dans une seule fenêtre d'observation, il peut déterminer la vitesse d'un objet en mesurant la différence de phase entre les chirps réfléchis correspondants. En cas d'utilisation de plusieurs récepteurs, le système radar peut également déterminer l'angle d'arrivée (AoA) relatif entre le système radar et l'objet. En combinant ces principes avec des calculs plus complexes, un système radar hautes performances peut localiser plusieurs cibles se déplaçant à des vitesses et trajectoires différentes.

La conception d'un système doté de ces fonctionnalités combine des sous-systèmes RF, analogiques et numériques (Figure 1). En tant qu'élément de la chaîne de signaux de sortie du système, un synthétiseur de signaux RF génère le chirp pour la transmission. Au premier étage de la chaîne de signaux d'entrée du système, un mélangeur RF combine le chirp généré au chirp réfléchi pour produire le signal IF. Faisant partie des étages analogiques subséquents, un filtre passe-bas et un convertisseur analogique-numérique (CAN) produisent un flux de données numériques pour le traitement des signaux à l'aide d'un algorithme de transformation de Fourier rapide (FFT) et d'autres algorithmes.

Figure 1 : Une conception de radar mmWave FMCW typique repose sur des sous-systèmes RF, analogiques et numériques étroitement intégrés pour transmettre une rafale d'énergie contrôlée avec précision (le chirp) et traiter le signal réfléchi pour déduire la portée, la vitesse et l'angle relatif des objets en aval. (Source de l'image : Texas Instruments)

Même si cette architecture fondamentale s'applique à un système radar FMCW typique, les spécificités de sa conception dépendent des exigences d'application en termes de portée de détection maximum, de résolution de la portée, de résolution d'angle et autres. Par exemple, la portée de détection maximum est proportionnelle à la fréquence intermédiaire et inversement proportionnelle à la pente fréquentielle. Par conséquent, les applications longue portée comme le régulateur de vitesse adaptatif automobile nécessitent une conception pouvant prendre en charge une fréquence intermédiaire élevée et produire un chirp avec un temps de balayage de fréquence rapide.

Les concepteurs souhaitant optimiser les performances du radar doivent également gérer de nombreuses caractéristiques de conception, notamment la puissance de sortie TX, la sensibilité RX et le facteur de bruit, la géométrie du profil de gain des antennes TX et RX et le rapport signal/bruit du signal réfléchi. En outre, chaque application apporte une combinaison unique de facteurs présentant un ensemble complexe d'exigences mutuellement dépendantes pour les développeurs.

Grâce à sa plateforme mmWave, Texas Instruments libère les concepteurs de nombreux défis liés à la conception et à la configuration d'un système radar.

Solution mmWave monopuce

La solution mmWave de Texas Instruments combine des circuits intégrés à ondes millimétriques et un environnement logiciel complet pouvant considérablement simplifier l'implémentation des applications de détection de mouvement basées sur les ondes millimétriques. Les dispositifs mmWave industriels, notamment les modèles IWR1443 et IWR1642 de Texas Instruments intègrent un ensemble complet de sous-systèmes RF, analogiques et numériques, nécessaires pour générer, transmettre, recevoir et traiter les signaux radars FMCW. Ces dispositifs combinent un circuit d'entrée analogique/RF similaire à un sous-système numérique sophistiqué (Figure 2). Dans cette architecture de circuit d'entrée, ces dispositifs intègrent un sous-système complet d'émetteur-récepteur FMCW à bande de 76 à 81 GHz avec quatre trajets de signaux RX dédiés et plusieurs canaux TX (trois dans l'IWR1443 et deux dans l'IWR1642).

Figure 2 : Dispositifs mmWave IWR1443 et IWR1642 de Texas Instruments, conçus sur une architecture de circuit d'entrée similaire, fournissant quatre canaux RX distincts et plusieurs canaux TX, notamment trois dans l'IWR1443 et deux dans l'IWR1642. (Source de l'image : DigiKey Electronics, extrait d'un document source de Texas Instruments)

Pour leur sous-système numérique, les deux dispositifs intègrent un cœur de processeur Arm® Cortex®-R4F, qui sert d'hôte périphérique dans le système de contrôle maître responsable des périphériques du dispositif, de la mise à jour micrologicielle, du démarrage et d'autres fonctions hôtes. À l'aide de la mémoire ROM et de la mémoire de données/programme intégrées, ce système de contrôle maître permet principalement aux dispositifs mmWave de TI de fonctionner de manière autonome dans une conception de système plus grande.

Pour leur sous-système de traitement radar intégré, les deux dispositifs utilisent une architecture similaire basée sur un bus de 128 bits, 200 MHz fournissant un haut débit aux ressources de mémoire partagée, notamment les tampons CAN, la mémoire de données L3 radar, le cache et la mémoire de communication avec l'hôte de système de contrôle maître. Reliés à ce même bus, les modules DMA améliorés (EDMA) fournissent des transferts indépendants du processeur pour accélérer les transferts de données à travers les différentes étapes de la chaîne de traitement.

Pour leur sous-système de traitement des signaux radars, l'IWR1443 et l'IWR1642 utilisent deux approches différentes. L'IWR1443 inclut un accélérateur spécialisé conçu pour accélérer le calcul de l'algorithme FFT et autres calculs sous-jacents du traitement des signaux radars (Figure 3). En outre, un processeur Arm Cortex-R4F distinct (système radar) sert d'hôte dédié pour la configuration du circuit d'entrée, le contrôle du sous-système radar et l'étalonnage.

Figure 3 : Outre le circuit d'entrée RF et analogique, le dispositif mmWave IWR1443 de Texas Instruments intègre un sous-système numérique qui inclut un système de contrôle maître basé sur Arm Cortex-R4F, un système RADAR basé sur Arm Cortex-R4F distinct et un accélérateur FFT pour accélérer le traitement des signaux radars. (Source de l'image : Texas Instruments)

Pour son processeur de signaux radars, l'IWR1642 comprend un cœur de processeur de signaux numériques (DSP) C674x de Texas Instruments (Figure 4). Conçu spécialement pour le traitement des signaux FMCW, le DSP IWR1642 fonctionne avec une horloge de 600 MHz prise en charge par des caches de programme L1 (L1P) et de données (L1d) de 32 Ko, et un cache de données/programme unifié L2 de 256 Ko pour accélérer les opérations DSP. Si nécessaire, les développeurs peuvent utiliser l'IWR1642 strictement comme processeur de signal radar.

Figure 4 : Outre le circuit d'entrée RF/analogique, le dispositif mmWave IWR1443 de Texas Instruments intègre un sous-système numérique incluant un processeur Arm Cortex-R4F comme processeur maître et un cœur de processeur de signaux numériques (DSP) C674x de Texas Instruments pour le traitement des signaux radars. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les modules avec matériel dans la boucle (HIL) installés dans les deux sous-systèmes de radar et de contrôle maître permettent aux développeurs d'utiliser les ports d'entrée du module de modification de données (DMM) du dispositif afin de contourner le circuit d'entrée RF et de charger les données radars brutes dans l'IWR1642 pour le traitement des signaux.

Chaîne de traitement des signaux radars

Même si le choix de l'accélérateur matériel de l'IWR1443 ou du cœur DSP C674x de l'IWR1642 dépend des exigences spécifiques de chaque application, le fonctionnement du dispositif sélectionné dans une application sera largement transparent pour la plupart des développeurs. Dans l'architecture de la solution mmWave de Texas Instruments, l'environnement logiciel mmWave de TI peut utiliser les ressources des deux dispositifs pour exécuter les modules fonctionnels ou unités de traitement de données (DPU), qui sont responsables des transformations de données individuelles typiquement utilisées dans le traitement des signaux radars. Les principales fonctions des DPU mmWave de TI incluent :

• Algorithme FFT de portée : permet de lire les données de chirp pendant la période d'acquisition dans la trame active pour générer l'algorithme FFT unidimensionnel utilisé pour le calcul de la portée et produire le cube de données radar. Il s'agit d'une matrice tridimensionnelle (3D) des données de portée, de chirp et d'antennes stockées dans la mémoire de données radar L3 dédiée.
• Élimination des échos parasites statiques : permet de soustraire la valeur moyenne des échantillons de l'ensemble d'échantillons.
• Algorithme FFT Doppler : exécute les calculs des algorithmes FFT 2D pour affiner les données du cube radar entre les trames et génère la matrice de détection utilisée par les algorithmes de détection d'objet radar.
• CFAR : exécute l'algorithme de taux de fausse alarme constant (CFAR) couramment utilisé pour la détection d'objet.
• Moyennage de cellules CFAR : combine l'angle d'arrivée au module CFAR pour implémenter l'algorithme de moyennage de cellules CFAR (CFAR-CA) fréquemment utilisé par les systèmes radars pour détecter des objets par rapport à des bruits de fond.
• Des unités DPU supplémentaires dédiées au groupage, à la localisation groupée et à la classification fournissent de meilleurs ajustements spécifiques à l'application pour les données de signaux radars.

À l'aide du kit de développement logiciel (SDK) mmWave de TI, les développeurs peuvent envoyer un appel à l'interface de programmation (API) du gestionnaire de chemin de données (DPM) pour combiner les différentes unités DPU dans la chaîne de traitement de détection ou de données (DPC) requise. Par exemple, l'implémentation d'une chaîne DPC pour la détection d'objet (Figure 5) ne requiert que quelques appels de base, comme démontré dans le code d'exemple inclus dans la distribution SDK mmWave de Texas Instruments (Liste 1).

Figure 5 : Une chaîne de traitement de détection d'objet typique combine des unités DPU distinctes exécutant des fonctions de traitement des signaux radars comme les calculs FFT de portée durant la période d'acquisition, ainsi que d'autres transformations de données au cours de la période inter-trame. (Source de l'image : Texas Instruments)

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

Liste 1 : Un code d'exemple similaire à cet extrait et inclus dans la distribution SDK mmWave de Texas Instruments illustre le modèle de conception basique pour créer une chaîne DPC en ajoutant un ensemble d'unités DPU à une structure ObjDetObj. (Source du code : Texas Instruments)

Les services logiciels dans l'environnement logiciel en couches implémentent automatiquement les DPU à l'aide du sous-système DSP (DSS), du sous-système maître (MSS) et de l'accélérateur ou en combinant ces éléments (Figure 6). Au niveau de l'application, les développeurs peuvent utiliser l'API mmWave pour accéder aux résultats des DPU à partir d'une chaîne DPC entièrement configurée, ou accéder directement au circuit d'entrée mmWave via l'API mmWaveLink.

Figure 6 : L'environnement mmWave de Texas Instruments fournit plusieurs interfaces de programmation (API) qui masquent les détails des opérations du système radar afin de simplifier le développement des applications de détection de mouvement. (Source de l'image : Texas Instruments)

Pour une application spécifique, la configuration du moteur de temporisation radar interne qui génère les trames de chirps et les chirps FMCW figure parmi les services stratégiques fournis par l'interface mmWaveLink. Comme noté précédemment, les caractéristiques des chirps et des trames de chirps déterminent les performances de détection d'objet, mais les limites pratiques dans la sélection de certains paramètres de performances impliquent un facteur restrictif sur les autres paramètres.

Par exemple, comme la portée de détection maximum est inversement proportionnelle à la pente fréquentielle, les développeurs recherchant une détection longue portée doivent réduire la pente fréquentielle. Cela affecte la largeur de bande de balayage de fréquence du chirp et entraîne la réduction de la résolution, car la résolution de la portée est proportionnelle à la caractéristique de la largeur de bande. En fait, les spécifications optimisées pour l'opération du chirp et de la trame de chirp constituent un facteur essentiel dans la conception radar, ce qui implique que les développeurs doivent équilibrer un certain nombre de caractéristiques de chirp (Figure 7).

Figure 7 : La portée et la résolution de détection d'objet dépendant essentiellement des caractéristiques du chirp transmis, les développeurs doivent minutieusement optimiser les paramètres de configuration du générateur de chirp. (Source de l'image : Texas Instruments)

En plus d'offrir un outil d'estimation de détection mmWave en ligne pour l'évaluation des paramètres de chirp, Texas Instruments fournit une vaste base de données de chirps avec les configurations de chirp recommandées pour des cas d'utilisation spécifiques dans sa boîte à outils industrielle pour capteurs à ondes millimétriques. Les développeurs peuvent rechercher des conceptions de référence et du code d'exemple couvrant diverses applications, de la reconnaissance gestuelle haute résolution à la surveillance de trafic longue portée. Architecturées sur des BoosterPack mmWave, les applications d'exemple permettent aux développeurs d'évaluer rapidement les performances mmWave et d'étendre les conceptions de référence pour leurs propres applications personnalisées. Par exemple, pour évaluer le contrôle gestuel, les développeurs peuvent connecter un module d'évaluation (EVM) IWR1443 BoosterPack (IWR1443BOOST) à un connecteur USB sur leur PC Windows, télécharger le micrologiciel intégré et tester la détection de gestes complexes comme un mouvement circulaire avec le doigt (Figure 8).

Figure 8 : En utilisant l'EVM IWR1443BOOST de Texas Instruments et le code d'exemple disponible, les développeurs peuvent explorer les applications de la technologie mmWave pour la reconnaissance gestuelle haute résolution dynamique comme l'utilisation d'un mouvement circulaire avec le doigt pour contrôler un système d'imagerie. (Source de l'image : Texas Instruments)

Pour la reconnaissance gestuelle, l'EVM IWR1443BOOST peut servir de plateforme matérielle unique. Dans d'autres exemples, Texas Instruments démontre l'utilisation d'un BoosterPack mmWave en combinaison avec ses kits de développement LaunchPad. Par exemple, une application de localisation de personnes combine un EVM IWR1642BOOST à un LaunchPad de microcontrôleur sans fil LAUNCHXLCC1352R1 pour démontrer la détection et la localisation d'une personne à partir d'un système radar déployé à distance. Cette conception de référence démontre l'impact des différents paramètres de chirp sur l'extension de la portée maximum aux dépens de la résolution (Figure 9).

Figure 9 : Une application d'exemple mmWave de Texas Instruments fournit plusieurs configurations de chirp, permettant aux développeurs d'étudier la relation entre les caractéristiques de chirp et les performances de détection. (Source de l'image : Texas Instruments)

Conclusion

La technologie à ondes millimétriques offre des avantages de portée et de précision bien supérieurs à ceux que l'on pouvait obtenir avec les méthodes précédentes. Pour les développeurs, cependant, de nombreux défis aussi bien au niveau matériel que logiciel ont limité le déploiement de cette technologie. La disponibilité des dispositifs mmWave, des outils de développement et d'un environnement logiciel complet de Texas Instruments réduit considérablement l'obstacle à l'implémentation d'applications sophistiquées de détection et de localisation d'objet avec la technologie mmWave.