Использование датчиков миллиметрового диапазона для повышения безопасности и эффективности БПЛА

По прогнозам, к 2022 году мировой рынок БПЛА превысит $21 млрд [1], что в свою очередь приведет к росту рынка коммерческих услуг более чем до $127 млрд [2]. БПЛА стремительно меняют сложившуюся ситуацию в различных сферах, в том числе в инфраструктуре, сельском хозяйстве, на транспорте, при обеспечении безопасности, в средствах массовой информации и развлечениях, страховании, телекоммуникации и горнодобывающей промышленности.

Проектирование и адаптация БПЛА к потребностям конкретных отраслей оптимизирует производительность, повышает безопасность и снижает воздействие на окружающую среду технологий, используемых в настоящее время. Однако реализуя применение БПЛА, разработчики сталкиваются с множеством технических проблем, в частности с такими, как:

• Работа в любых условиях. Невозможность полетов БПЛА из-за погодных условий, освещения, плохой видимости вследствие дыма или тумана или наземных препятствий, например деревьев и других объектов, могут существенно влиять на фактическую эффективность используемых систем БПЛА. Необходима разработка БПЛА, способных стабильно эксплуатироваться в различных условиях окружающей среды.
• Малый вес конструкции. В самом простом выражении уменьшение веса платформы БПЛА увеличивает время его полета при одном и том же аккумуляторе. Чем легче система БПЛА, тем проще ее использовать. Снижение веса платформы БПЛА также позволяет взять на борт больше полезной нагрузки, например, бортовые инструменты для конкретного применения. Все эти факторы значительно повышают эффективность применения платформы БПЛА.
• Высокая скорость. Чем быстрее БПЛА летают и работают, тем выше их эффективность. Но разработчикам нужно находить баланс между скоростью и безопасностью. БПЛА могут достигать максимальных горизонтальных скоростей более 70 км/ч; два БПЛА, летящие прямо друг на друга, сближаются со скоростью 40 м/с и создают непростую задачу для функции обнаружения и предотвращения столкновений в воздухе.
• Интеллектуальное управление. Наибольшую опасность представляет управление БПЛА, когда он находится близко к земле во время взлета или посадки, потому что близость земной поверхности увеличивает допустимую ошибку пилотирования. Ошибка оператора в этом случае может привести к повреждению или потере БПЛА, что серьезно влияет на эффективность и вызывает множество угроз, связанных с безопасностью. Ключевым фактором становится скорость, когда БПЛА сближается с землей, поэтому очень важна способность точно определять расстояние — на уровне сантиметров. Другая способность, которой обязательно должен обладать БПЛА, — распознавание типа поверхности, куда он собирается безопасно сесть, а также ее состояния, сухая она или нет.
• Обнаружение объектов и предотвращение столкновений с ними. Платформы БПЛА работают в условиях наличия физических препятствий. Способность обнаруживать препятствия, а затем предотвращать столкновения с ними снижает возможность повреждения или потери БПЛА и окружающих объектов. С учетом высоких скоростей эти действия необходимо предпринимать быстро, проводя расчеты в реальном времени.

Применение кремниевых датчиков миллиметрового диапазона волн

Датчик миллиметрового диапазона TI сочетает обработку РЧ-сигнала, калибровку, высокоскоростной АЦП, микроконтроллер (MCU), цифровую обработку сигналов (DSP) и запоминающее устройство в одной монолитной микросхеме, представляющей собой комплементарную структуру металл-оксид-полупроводник (КМОП), и с высокой точностью определяет дальность, скорость и угол между датчиком и объектами вокруг БПЛА. Полученный в результате уровень интеграции позволяет реализовать расширяемое семейство устройств, способных использовать различные результаты обработки (рис. 1), которые можно применять в разнообразных архитектурах систем для вывода оперативной информации об окружающей обстановке и возможных препятствиях в реальном времени в систему управления БПЛА.

Рис. 1. Обработка сигнала миллиметрового диапазона

Такой обзор в реальном времени позволяет специалистам создавать системы БПЛА, которые могут работать с высокой эффективностью в реальных условиях и решать вышеуказанные технические проблемы. Использование нескольких датчиков и методов обнаружения повышает безопасность, а обнаружение в миллиметровом диапазоне обладает уникальными характеристиками для решения этих задач

Возможность работы в любых условиях

Технология радаров не нова; британский физик Роберт Уотсон-Уотт создал первую действующую систему в 1935 году [3]. Подобно радарам СВЧ-диапазона, которые находят применение в современной авиации, устройства миллиметрового диапазона 30–300 ГГц функционируют при любых погодных условиях. На рис. 2показан спектр частот, и видно, что датчики миллиметрового диапазона находятся между видимым и СВЧ-излучением.

Рис. 2. Спектр частот. С разрешения Electronic Design

Работа в этой части спектра вызывает интерес к датчикам миллиметрового диапазона, потому что они:

• могут «видеть» сквозь пластмассу, гипсокартон и ткани, поскольку волны этого диапазона проникают в материалы;
• могут «видеть» в условиях мокрого снега, дождя, снегопада, тумана и в других опасных условиях;
• позволяют управлять узким направленным лучом с угловой точностью в 1°;
• работают на малых длинах волн с субмиллиметровой точностью измерения дальности;
• используют стандартные оптические методы фокусирования и управления лучом;
• обеспечивают большие абсолютные полосы частот и способность различать два объекта.

Малый вес конструкции

Микросхема, использующая полупроводниковую КМОП-технологию для интеграции наиболее востребованных функций в монолитном кристалле, такая как устройство миллиметрового диапазона TI, интегральные схемы управления питанием и ППЗУ начальной загрузки плюс печатная антенна, — вот все, что требуется для реализации полного датчика. На рис. 3 дан размер существующего модуля, разработанного D3 Engineering с помощью датчика миллиметрового диапазона от TI в конфигурации с тремя передающими и четырьмя приемными антеннами.

Рис. 3. Конструкция типового модуля миллиметрового диапазона

В таблице 1 приведены сравнительные данные размеров и веса модуля миллиметрового диапазона и новейшего лазерного дальномера, показывающие почти троекратное уменьшение размера при наполовину меньшем весе.

Примечание. ^*С учетом оптики и корпуса.

Компактность этого решения позволяет легко размещать датчик в пластмассовом кожухе, что открывает возможность создания прочных конструкций, увеличивающих общий вес системы в минимальной степени. Это существенно отличает его от решения на основе использования волн оптического или инфракрасного (ИК) диапазона, для которого требуется корпус объектива, оснащение и калибровка в ходе заводских испытаний. Кроме того, сборка данного решения обходится дешевле.

Высокая скорость

БПЛА могут летать очень быстро, с максимальной скоростью 72 км/ч. Поэтому любая технология датчиков должна обеспечивать возможность измерения скоростей при таком стремительном движении. Максимальная измеряемая скорость, или V_max (максимальная относительная скорость, если и датчик, и объект движутся), связана с общим периодом ЛЧМ-сигнала, передаваемого в миллиметровом диапазоне как видно из выражения:

V_max = l/(4T_c) (1),

где T_c — общий период/длительность ЛЧМ-сигнала; l — расстояние, проходимое за один период; V_max — скорость в метрах в секунду.

Согласно техническим данным устройства IWR1443 l = 3,9 мм при начальной частоте 76,5 ГГц.

При V_max, равной 72 км/ч, значение T_c = 48,75 мкс.

На основании обратной пропорциональности, пока T_c меньше 48,75 мкс, система будет способна определять V_max больше 72 км/ч. Расчет T_c для диапазона значений V_max дает кривую, показанную на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость максимальной измеряемой скорости от общего периода/длительности ЛЧМ

Интеллектуальное управление

Для достижения максимальной эффективности БПЛА при решении задач в реальных условиях важное значение имеет помощь, которую оказывает оператору информация, поступающая от интеллектуальных датчиков на борту БПЛА. Как было указано выше, наиболее опасно для беспилотного летательного аппарата время, когда он находится близко к земле, например при посадке. Технология датчиков миллиметрового диапазона способна дать навигационную информацию во время посадки и при этом оценить пригодность поверхности. На работу датчиков не влияет бафтинг, вызываемый ветром, или пыль, поднимаемая винтами БПЛА, когда он находится близко к земле, как это происходит при использовании других технологий датчиков.

При установке оценочного модуля миллиметрового диапазона IWR1443 (EVM) можно добиться 2-см точности при высоте над поверхностью земли до 40 м и в диапазоне скоростей от нулевой (зависание) до превышающей 25 см/с. На рис. 5 представлен снимок экрана демонстрации посадки БПЛА с высоты 19,73 см над землей при скорости 22,55 см/с.

Рис. 5. Снимок экрана демонстрации посадки БПЛА

Точность датчиков миллиметрового диапазона также позволяет определять тип поверхности, на которую садится аппарат, на основании движений на поверхности, вызванных пропеллерами БПЛА во время зависания, когда БПЛА неподвижно находится прямо над окончательной точкой посадки. Эксперименты, проведенные в TI с миллиметровым оценочным модулем IWR1443 (в статических условиях, без полета БПЛА), показывают, что система способна отличить сушу от поверхности воды на основании разницы в отражательной способности и путем измерения микровибраций поверхности материала (рис. 6). Если система обнаруживает воду, БПЛА может прервать посадку и таким образом избежать повреждения или полной потери своего груза или самого аппарата.

Рис. 6. Использование миллиметровой технологии для определения поверхности суши (GROUND) или воды (WATER)

Обнаружение объектов и предотвращение столкновений с ним

Ядром интеллектуального обнаружения и предотвращения столкновений в воздухе является способность БПЛА распознавать вероятные препятствия, которые он встретит на пути своего полета и которые могут привести к полной потере или повреждению платформы, что негативно скажется на эффективности работы. Помимо способности датчиков миллиметрового диапазона обнаруживать объекты в любых условиях вне зависимости от освещения, наличия дыма, пыли или тумана, они обладают уникальной функцией обнаружения объектов, трудно определяемых с помощью других технологий датчиков.

Одним из таких примеров служит обнаружение проводов — например, линий электропередач, телефонных линий, антенн или проволочных заграждений на пути БПЛА. TI провела серию экспериментов в своей безэховой камере, чтобы оценить обнаружение проводов различного типа. Лабораторная установка показана на рис. 7.

Рис. 7. Испытательная установка в безэховой камере для проверки обнаружения проводов

Типы проводов, с которыми проводились испытания, включали электрический удлинительный шнур, кабель Ethernet категории 5, линию кабельной проводки в неметаллической (резиновой) изоляции, витую пару из двух медных проводов калибра 30 и одиночный медный провод калибра 30, показанный на рис. 8.

Рис. 8. Медный провод калибра 30

Антенна оценочного модуля миллиметрового диапазона IWR1443 собирала результаты измерения в вертикальном и горизонтальном положении (обозначения с приставкой «гор») на расстоянии 1 м. В таблице 2приведены результаты испытаний. По сравнению с вертикальной ориентацией горизонтальная ориентация позволила получить более высокие значения отношения «сигнал/шум» (с/ш). Более высокие отношения с/ш обусловлены меньшим уровнем отраженных сигналов в испытательной камере при такой ориентации, особенно в случае тонкого провода, каким является одиночный, не витой провод.

Также наблюдался коэффициент усиления в 6 дБ при применении цифрового формирования луча (BF) на приемной стороне с использованием четырех приемных антенн оценочного модуля IWR1443.

Помимо оценочного модуля миллиметрового диапазона IWR1443, для испытаний по обнаружению проводов использовалась плата определения внутренних характеристик с рупорной антенной. Рупорная антенна имеет намного более узкий луч, что значительно уменьшает уровень помех из-за отражений. В ходе испытания провод помещался на расстоянии 4,5 м и измерялось отношение с/ш постоянного уровня ложной тревоги (CFAR) для каждого типа проводов. Согласно выражению (2) максимальное расстояние обнаружения повода рассчитывается как:

С/Ш ~ 1/R³ (2).

На рис. 9 показано ожидаемое максимальное расстояние обнаружения для каждого типа проводов, если порог обнаружения CFAR составляет 15 дБ.

Рис. 9. Экстраполяция дальности обнаружения по типам проводов

Анализ показал, что датчики миллиметрового диапазона TI способны обнаруживать все типы проводов, участвовавшие в испытании, при этом экстраполированное расстояние обнаружения в случае самого трудно обнаруживаемого одиночного провода калибра 30 составило 9 м, и до 21 м в случае провода самого крупного калибра (в данном случае — удлинительный шнур).

Оценочный модуль миллиметрового диапазона IWR1443 — с возможностью использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн (MIMO) — позволил получить результаты при испытаниях вне помещения на реальных высоковольтных линиях электропередач. Как видно на рис. 10, оценочный модуль способен уверенно обнаруживать высоковольтные линии на расстоянии 25–38 м в случае высоковольтных линий малого диаметра, которые еле видны на фото (четвертый провод от красной стрелки). Эти данные испытаний на реальных объектах подчеркивают жесткий характер тестиирования на образцах в лабораторных условиях и консервативность полученных экстраполированных результатов.

Рис. 10. Обнаружение линий электропередачи в реальных условиях с помощью оценочного модуля IWR1443

В качестве побочного результата: листва деревьев, которая видна на фото с места испытаний, также была обнаружена, попав в поле зрения датчика. Датчики миллиметрового диапазона TI способны обнаруживать деревья с листьями вне зависимости от движения листвы или условий затенения и не требуя при этом чрезмерного объема вычислений, предполагающих дополнительный расход энергии.

Датчики миллиметрового диапазона уверенно распознают провода от очень тонких, одиночных до стандартных проводов высоковольтных линий на расстояниях, приближающихся к 40 м.

Этот случай выбран для анализа потому, что такие провода трудно определить, и для их обнаружения необходимы достаточно сложные вычисления при использовании других технологий. Проведенное испытание также иллюстрирует применение в реальной обстановке промышленных БПЛА, которые должны обнаруживать, а затем обходить объекты, чтобы обеспечить ожидаемые уровни эффективности и безопасности работы.

Заключение

Интеграция датчиков миллиметрового диапазона на монолитном полупроводниковом кристалле, реализованная TI, позволяет инженерам создавать платформы БПЛА, способные изменить привычный уклад во многих отраслях и повысить эффективность функционирования. Эти датчики обеспечивают превосходные рабочие характеристики для эксплуатации в любых условиях, на высоких скоростях, с интеллектуальной поддержкой посадки и взлета и с возможностью обнаруживать такие объекты, как провода высоковольтных линий. Реализация подобных рабочих характеристик в датчиках, которые имеют малые размеры, вес, прочны и легко встраиваются в пластиковые корпуса БПЛА, вывела эти приборы миллиметрового диапазона TI в лидеры решений для датчиков, используемых изготовителями БПЛА.

Texas Instruments представила полную среду разработки для специалистов, проектирующих промышленные датчики миллиметрового диапазона, включая:

• Оценочные модули аппаратного обеспечения для устройств миллиметрового диапазона IWR1443 и IWR1642.
• Комплект для разработки программного обеспечения датчиков миллиметрового диапазона (SDK), который содержит операционную систему реального времени (RTOS), драйверы, библиотеку модулей обработки сигналов, интерфейс прикладного программирования (API) датчиков миллиметрового диапазона и средства обеспечения безопасности (поставляются отдельно).
• Инструментарий разработки ПО датчиков миллиметрового диапазона в режиме офлайн Studio для создания алгоритмов и анализа, который включает сбор данных, средство визуального представления и средство оценки системы.