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TI毫米波传感器全面覆盖工业自动化、自动驾驶与安防市场

ADAS无人驾驶的兴起,催生了传感器的需求,据相关统计,2018年全球毫米波雷达需求突破20亿美元,同时毫米波雷达在工业和安防领域也正在迎来自己的春天,增量市场正在呈现多元化的态势。

在4月举办的TI德州仪器工业月活动上,德州仪器中国嵌入式产品系统与应用总监蒋宏向本站记者展示其毫米波雷达方面的相关应用,相比3D TOF和视觉成像等光学技术,毫米波雷达覆盖范围更远,拥有更强的穿透力,在中远距离以及移动物体内识别方面具有一定优势,且同一应用中安装数量相对较少,改进后的毫米波能够适合大范围内的多点识别类的应用,目前TI德州仪器公司已将毫米波传感器导入至工业,汽车与安防市场。

TI毫米波的优势

仔细观察就会发现,自动驾驶市场对于毫米波的发展起到了推波助澜的作用,毫米波最大的特点是对运动的物体敏感,轻微的运动,亦可快速被探测到。相比图像处理,毫米波更加节约计算资源,据蒋总监介绍,TI芯片有硬件加速,配合片内的DSP直接将噪音背景都过滤掉。关键提取信息一般会提前预设。

通过多维度的衡量,比如走路的频率或手臂摆动幅度,TI毫米波芯片可以利用算法提取特征信息,然后分类标定,过滤掉一系列噪声,直接抓取出最终的识别目标。

先断定是否是人,然后分辨A或者B。传感器可识别人员数量,人员位置以及更多信息。此外,人和动物都可以进行区分。

目前ADAS技术非常依赖于毫米波,并在结构上实施了长短距测量,TI AWR1X和IWR1X传感器产品组合比目前市场上24G毫米波解决方案高出许多倍的感测精度,TI全新毫米波软件开发套件SDK拥有丰富的算法和软件库,可以让工程师在30分钟内开始应用开发工作。TI,的60GHz、77GHz两个频段的毫米波雷达分别对应工业与汽车市场。TI的毫米波芯片可以将雷达的辐射做到了低于我们目前常用的Wi-Fi路由器的水平,同时相比于2.4GHz、5GHz的频段,目前TI的高频段(60Ghz、77Ghz)产品60%以上的辐射会直接被人体表面皮肤反射掉而不会进入人体。

此外TI毫米波产品频率可穿透石膏板或塑料板,方便放置于在空调内,或者车辆保险杠的内部。不影响终端产品造型美观,避免钻孔。目前的目标市场面主要是ACC(自巡航)、ACW(前向防撞),同时TI也开发了一些新的应用,如车内手势控制和体征检测,睡眠呼吸频率监测,当驾驶员反常状态的时候,汽车可以达成预防性停驶。

TI毫米波Demo展示

现场的Demo展示中,TI面向工业自动化,安防及汽车等行业应用中,以低功耗,长距离,传感融合方案为切入点。视觉系统与毫米波雷达实现优势互补,毫米波抗干扰力强,有极强的穿透力,对动态物体识别速度快,但目标的空间角度分辨率相比摄像头较低;视觉系统空间角分辨率高,但容易受光照条件等的外界因素影响。结合二者优势的方案则更有利于目标识别。

机械手臂方案

TI毫米波传感器全面覆盖工业自动化、自动驾驶与安防市场

机器视觉仅通过光源并不能够满足焊接电火花环境内的精准识别,但采用了IWR1642毫米波雷达则完全不受光的影响,演示中的机械臂,曾出现在慕尼黑电子展上,可以探测周围保护人身安全,这些机器极其需要感知周围环境。AGV(仓储机械人)需要通过灵敏的感知找出路径,避免碰到人。

体征监测

TI展示了体征检测的应用。通过毫米波侦测呼吸和心跳,以此开发非接触式的仪器,毫米波对于动态的识别非常敏锐,完全可以由此检测非常细微的运动,比如由呼吸和心跳在人胸口表面皮肤产生的即便是很细微的起伏,都可以测出来。TI毫米波芯片针对此类应用,对细微运动的探测精度可以达到微米级,拥有目前业界非常精准的探测精度。目前TI主要提供应用的框架,和原始数据接口。

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户外50M范围人员检测方案

在夜晚的环境TI毫米波可以检测到50M以外的运动物体,由于光线的限制,视觉系统此时可能已经失去作用。可疑目标一旦接近布防区域,很快就会被探测。具体应用可根据实际需要调节从50m到150m不等。

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在安防领域,传感融合更有利于破案,融合摄像头和毫米波可搜集到所有的细节。TI毫米波还具有预警功能,如果发生危险了,不论白天黑夜,都可实现功能。而结合摄像头,可为刑侦提供回放。TI产品可根据需求进行调配,目前支持三发四收,探测距离可以自由设置,根据应用可以选择,如果是家中的庭院,40-50米就可满足,如果在公园或厂矿里做安防,可以设置至150米以外,根据应用对距离的要求进行调节。

为方便后期神经网络的算法,TI新品将信息进行修剪,然后把有用的维度先提取出来,再做一些特征的选项。

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毫米波点云

高密度点云输出一般被认为是激光雷达的强项,但其实TI毫米波雷达可以实现这一应用。实现点云可以车里两侧各放置一个雷达,车辆运动的过程中扫描,一秒钟产生5万个点,10秒钟50万个点。

蒋总介绍,对目标车辆的最远检测范围一般在300m到260m之间,雨天会有小幅度浮动。相比其它方案毫米波更加可靠,毫米波雷达的成像性能也正在变得越来越强悍。

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单芯片汽车角雷达方案,角雷达方案

TI展示的角雷达方案,基本探测角度为水平120度,垂直方向30度毫米波演示探测角度是根据天线的形状决定(天线的特性)。点云输出是中间数据,使用什么角度的天线取决于具体应用。

这常见于无人机上,或一般的车角雷达或边道辅助。目前毫米波的成本已经降低很多,从高端车到中低端车,都可能见到。

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AoP基于集成天线在封装上的TI毫米波传感器芯片

AoP(Antenna on Package),TI的芯片将天线封装在内部,可以把天线做得更小。对于三发四收的天线,TI把整个芯片的面积压缩到只有指甲般大小。家电领域比较会喜欢TI新推出的AOP天线。TI会把整个设计的技术门槛降低。使用AOP 芯片,系统BOM成本将变得很低。

传感融合

传感融合,是摄像头与雷达二者优势的融合,人员检测,摄像头将人找到,框起来,雷达则给出距离、速度等信息。物体检测时,视觉的维度的信息和雷达维度的信息相融合,会让目标侦测更加准确。举一个最简单的比方,在车里,如果用摄像头对1:1的车辆照片识别,如果照片质量足够好,系统可能会认为目标是一辆真车。而毫米波检测的时候先判断是不是金属材料。这样准确度就提升了。通过提前预设,达到定制化的需求,如果目标只是人,那么可以通过预设过滤掉其他物体。

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融合的需要取决于应用。点云的输出,在芯片里通常有几百个点构成一个人的轮廓,而那些反射点上面的位置、速度XYZ以及加速度信息都已经在单芯片内处理计算出来了。取决于这些应用的需求,如果这些信息够了,TI毫米波单芯片的点云信息输出就足够用了。

融合方案VR游戏里也比较适用,当动作过快或慢,摄像头都很难做出很准确的判断。而毫米波因为感知维度多,可以丰富不同的功能。

级联方案

TI的级联方案把目标探测的角分辨率提升了,目前可以做到1度。如果终端产品很小,评估板有四片同时级联在一起工作,相当于虚拟192根天线,会把整个空间分辨率、角度分辨率提升。级联是四片,是并联在一起工作的。当点,角分辨率较高的时候,实现成像。当点很多的时候,譬如1000个以上,就可以看出被测物体的轮廓。

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手势检测

手势检测方案演示,可装在开关后面,或空调里进行手势控制。手势演示用到神经网络,。主要目的是帮助将信息提取出来,将一些有用的维度先提取出来,再做一些特征的选项。

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体征探测

体征探测方案的演示做的是呼吸和心跳的体征,屏幕显示心跳88次,呼吸22次。

通过侦测人体位移,即便心跳很微弱TI毫米波也能测试。由于信息频率不一样,从频谱里分析,比如人类的心跳,一般人是50-120次/分钟,呼吸一般是20次,所有这些信息都可感知出来,做频谱的分析,判别那些属于呼吸的,哪些属于心跳的。

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目前这些方案车里DMS和智能家居将是主要市场,呼吸和心跳代人的状态。TI毫米波芯片用一颗DSP就可以完成包括手势、人体的检测,目前方案基于600M的DSP。做到了货真价实的单芯片方案。并且在25帧/秒、,功耗维持在1W、2W的水准,如识别距离在5米以内,发射功率继续降低,功耗可以进入更低的水平。

车厢内人员与方位检测

图片里显示的是雷达“热图信息”的输出,实现车厢内的人员检测,两个座位,如果有人毫米波是可以检测。而且这里能拿到雷达的原始数据(热图信息),人到哪里,亮点就会跟随到哪里。这个应用可以防止小孩或宠物落在车内,从而避免一些危险情况的发生。

TI毫米波传感器全面覆盖工业自动化、自动驾驶与安防市场

目前对比市场上其他方案毫米波在成本及最终应用的效果优势很多,毫米波的探测维度,从距离、速度、加速度等指标来区别探测目标。对于楼宇内部,TI毫米波可应用于电梯、楼道里,比如电梯轿箱里,检测轿厢里面的进出人数,轿箱的空间大小,还可以辨别人数。安装TI毫米波的轿厢,可以精确知道电梯余留下多大的空间,可供载乘的人数,并设定在哪一楼层停靠。TI毫米波还可帮助控制速度,替代每一层目前设置的接近传感器。当两个轿箱上下运行时,装毫米波两个传感器就可掌握整个空间内的运行速度和位置,从而实现整套系统的简化。

由于TI RFCMOS技术,使毫米波传感器实现了更小的尺寸,成就了更高的集成度,将相关单元ADC,MCU,DSP等实现了高度集成,为开发者预留出更多的设计空间。

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