毫米波雷達(dá)具有敏銳的洞察力、探測(cè)范圍廣、測(cè)量數(shù)據(jù)精確、不受環(huán)境因素影響、穿透力強(qiáng)等高實(shí)用性的特點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用極為廣泛。基于毫米波雷達(dá)傳感器的設(shè)備不僅為我們的生活帶來(lái)了很多便利，還保證了設(shè)備運(yùn)行的安全和高效性，如商場(chǎng)自動(dòng)感應(yīng)門(mén)、電梯門(mén)等設(shè)備中均有應(yīng)用。

早前，TI發(fā)布了多款工業(yè)級(jí)毫米波雷達(dá)傳感器，主要涵蓋了樓宇自動(dòng)化、智能安防、液位監(jiān)控、交通流量監(jiān)控、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)感應(yīng)門(mén)等領(lǐng)域。本期文章主要講述毫米波雷達(dá)在自動(dòng)感應(yīng)門(mén)上的應(yīng)用。

自動(dòng)感應(yīng)門(mén)工作原理

自動(dòng)感應(yīng)門(mén)主要由主控器、傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分組成。傳感器對(duì)進(jìn)門(mén)或出門(mén)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，當(dāng)感應(yīng)到有人員移動(dòng)時(shí)，及時(shí)地將脈沖信號(hào)傳輸至主控器中由主控器分析處理，通過(guò)主控器激活電機(jī)完成開(kāi)門(mén)操作。

基于IWR6843的自動(dòng)感應(yīng)門(mén)應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)

IWR6843是一款由TI發(fā)布的60-GHZ毫米波雷達(dá)傳感器，由于毫米波不受雨、霧、煙霧、光照強(qiáng)度等環(huán)境所約束，該傳感器主要在自動(dòng)感應(yīng)門(mén)領(lǐng)域的自動(dòng)推拉門(mén)、車(chē)庫(kù)門(mén)、電梯門(mén)等實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用，推進(jìn)大門(mén)朝節(jié)能化、智能化發(fā)展。TI還在IWR6843基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，推出了IWR6843 ISK 、IWR6843 ODS 、IWR6843AOP ，每塊套件的性能略有不同。IWR6843 ISK 擁有水平方向120°、垂直方向30°的廣角感應(yīng)區(qū)域。IWR6843 ODS 擁有水平方向120°、垂直方向120°的廣角感應(yīng)區(qū)域。IWR6843AOP 擁有水平方向130°、垂直方向130°的廣角感應(yīng)區(qū)域。并且TI就IWR6843 ISK給出了自動(dòng)感應(yīng)門(mén)參考設(shè)計(jì)TIDEP-01018。
IWR6843 ISK是一款60GHz~64GHz的毫米波傳感器套件，該套件可通過(guò)USB可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和供電，內(nèi)部集成了4根接收天線(xiàn)、3根發(fā)射天線(xiàn)和DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器。接口支持與MMWAVEICBOOST 和 DCA1000 匹配，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和開(kāi)發(fā)。

TIDEP-01018參考設(shè)計(jì)是在IWR6843 ISK基礎(chǔ)上加入了ICB（工業(yè)載板），并且在IWR6843傳感器中集成了完整的雷達(dá)信號(hào)處理鏈。該設(shè)計(jì)可對(duì)水平方向120°，距離為5m內(nèi)的人進(jìn)行跟蹤、和速度采集，判斷人行走的方向進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)操作。
前端部分主要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，信號(hào)處理部分主要還是在DSP處理器中進(jìn)行處理，經(jīng)DSP處理后的數(shù)據(jù)得出距離、角度等信息，再進(jìn)入ARM Cortex R4F處理器進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。通過(guò)1D windowing 和 1D FFT進(jìn)行探測(cè)范圍數(shù)據(jù)處理，在Capon波束形成器中去除靜態(tài)雜波，生成協(xié)方差矩陣和逆角普存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并將二者結(jié)合，構(gòu)建距離矩陣熱圖。在距離矩陣熱圖內(nèi)通過(guò)兩次CFAR算法進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。主要是對(duì)檢測(cè)范圍內(nèi)的每個(gè)水平方向角度檢測(cè)，將第一次的結(jié)果再通過(guò)CFAR檢測(cè)一次然后存在L2儲(chǔ)存中，完成目標(biāo)檢測(cè)，該過(guò)程是為了精確鎖定目標(biāo)。再通過(guò)多普勒效應(yīng)對(duì)目標(biāo)的距離和速度進(jìn)行檢測(cè)，最后進(jìn)入ARM Cortex R4F處理器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追蹤、判斷、輸出開(kāi)門(mén)信號(hào)。

任務(wù)處理模式

在任務(wù)處理方式上該設(shè)計(jì)有自己獨(dú)有的處理方式。如上圖所示，Mailbox為高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，Application為低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。在系統(tǒng)配置中，處于優(yōu)先級(jí)的Mailbox任務(wù)會(huì)收到一個(gè)來(lái)自DSP準(zhǔn)備就緒的信號(hào)，Mailbox任務(wù)會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)復(fù)制于TCM中，并且與應(yīng)用Application完成通信，給Application發(fā)布任務(wù)，創(chuàng)建傳輸幀頭，并且為框架內(nèi)的每一部分啟動(dòng)一個(gè)DMA進(jìn)程。每當(dāng)DMA與UART進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，Mailbox任務(wù)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。當(dāng)DMA進(jìn)程結(jié)束時(shí)可以新增DMA，實(shí)現(xiàn)任務(wù)處理和DMA之間的并行性。

群跟蹤算法
群跟蹤算法是TI在該設(shè)計(jì)中加入的智能算法，這個(gè)智能算法的加入，將開(kāi)關(guān)門(mén)操作更合理化。通過(guò)程序任務(wù)先創(chuàng)建一個(gè)用來(lái)描述傳感器場(chǎng)景、行為、目標(biāo)，具有配置參數(shù)算法的實(shí)例。然后該算法可對(duì)先前配置好的參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，每幀可調(diào)用一次。可建立多組數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。該算法可以通過(guò)測(cè)量輸入的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追蹤。還可通過(guò)算法預(yù)測(cè)移動(dòng)目標(biāo)的距離、移動(dòng)方向和速度來(lái)判斷是否需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)操作。
該設(shè)計(jì)有什么優(yōu)勢(shì)

降低出錯(cuò)率，該設(shè)計(jì)加入了多次檢測(cè)功能和群跟蹤算法，能有效判斷移動(dòng)的目標(biāo)是否有開(kāi)門(mén)需求。如傳感器檢測(cè)到入口有移動(dòng)目標(biāo)，僅僅只是路過(guò)不入門(mén)，則無(wú)需開(kāi)門(mén)降低電力損耗和不必要的能源浪費(fèi)。

靜態(tài)對(duì)象檢測(cè)功能，該設(shè)計(jì)可對(duì)靜態(tài)物體進(jìn)行檢測(cè)，防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。例如，自動(dòng)感應(yīng)門(mén)門(mén)軌上有異物放置或人員停留，通過(guò)傳感器芯片的算法檢測(cè)后作出判斷，保證門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

低成本，該設(shè)計(jì)集成度高、檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)、檢測(cè)范圍廣，一個(gè)傳感器可覆蓋同一范圍內(nèi)的多個(gè)門(mén)，能夠有效地降低電路設(shè)計(jì)的難度和成本。例如，現(xiàn)在市面上很多傳感只能1對(duì)1的使用，無(wú)形中提高了成本。

智能，該設(shè)計(jì)采用了毫米波雷達(dá)傳感器和多種檢測(cè)方法，能夠快速檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)的距離和速度，及時(shí)調(diào)整開(kāi)門(mén)的時(shí)間和開(kāi)門(mén)的速度，避免移動(dòng)目標(biāo)速度太快，到達(dá)門(mén)前時(shí)未及時(shí)開(kāi)門(mén)，降低交互體驗(yàn)。

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)該設(shè)計(jì)將自動(dòng)感應(yīng)門(mén)變得智能化、高效化，靜態(tài)檢測(cè)功能提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性。還加入了群跟蹤算法使開(kāi)關(guān)門(mén)操作更合理，減少電機(jī)的使用次數(shù)，降低了電能損耗。