Notizie PCB - I sensori radar interattivi creano un'esperienza olistica nella cabina di pilotaggio

Le nuove tecnologie dei sensori possono promuovere l'innovazione nei sistemi di assistenza alla guida, nell'automazione automobilistica, nella rete automobilistica e nei servizi di mobilità. Con il miglioramento del livello di automazione di guida, la rivoluzione completa del sistema di bordo ha reso il sistema ausiliario esterno al veicolo più potente, creando così un'esperienza di guida complessiva. Questo articolo descrive principalmente come i sensori radar a corto raggio abilitano alcune applicazioni di rilevamento del cockpit automobilistico, in particolare i sistemi di monitoraggio del conducente e i sistemi di monitoraggio degli occupanti. L'interazione uomo-computer (HMI) sta diventando un'area in cui le case automobilistiche stanno perseguendo la differenziazione. La tecnologia automobilistica di interazione uomo-computer è emersa per la prima volta nel 2015, quando ha utilizzato solo telecamere a infrarossi e sistemi di feedback tattile MEMS per ottenere un semplice rilevamento gestuale. Oggi, questa tecnologia PCB si è sviluppata verso un display digitale completamente personalizzato e super-grande. Il display autopilota M-Byte da 48 pollici di Byton e il sistema MBUX di Daimler sono esempi tipici. Questi strumenti automobilistici cambieranno completamente l'interazione uomo-veicolo.

L'avanzamento dei sensori in miniaturizzazione, elaborazione in-dashboard, efficienza energetica e facilità di integrazione promuoverà lo sviluppo di tecnologie più recenti e avanzate come sensori radar e sensori time-of-flight. Inoltre, la fusione dei sensori preannuncia la direzione di sviluppo futura, come la combinazione di suoni e gesti per prevedere in modo affidabile l'azione target dell'utente, illuminare il pulsante di visualizzazione quando l'utente si avvicina e distinguere le informazioni in ingresso del conducente e dell'occupante. Le informazioni richieste, la progettazione estetica, i fattori ambientali e il costo computazionale definiranno la tecnologia per uno specifico caso d'uso. Esistono molti casi d'uso correlati, tra cui, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, applicazioni di comfort come il rilevamento gestuale e applicazioni di sicurezza passiva.

Secondo le statistiche dell'Organizzazione mondiale della sanità, ogni anno circa 1,3 milioni di persone muoiono in incidenti stradali e il 73% di questi incidenti sono causati da errori umani. Secondo la National Highway Traffic Safety Administration degli Stati Uniti, più di 50 bambini muoiono ogni anno a causa di un colpo di calore bloccato nell'auto. 2 I nuovi piani di accettazione delle auto dell'UE e dell'ASEAN stanno già adottando misure per introdurre sistemi di rilevamento della presenza dei bambini e sistemi di monitoraggio dei conducenti. La U.S. Automobile Manufacturers Union ha firmato un accordo volontario sul sistema di promemoria del sedile posteriore nel settembre 2019; 3 Allo stesso tempo, il Regolamento n. 16 della Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite descrive in modo esauriente i promemoria delle cinture di sicurezza e le restrizioni in paesi come l'Unione europea e il Giappone. Standard di funzionamento del sistema. 4 Pertanto, guidate da leggi e regolamenti, le innovative applicazioni di sicurezza passiva nella cabina di pilotaggio stanno apportando cambiamenti alla sicurezza stradale.

Elaborazione radar-una nuova trasformazioneIl principio di funzionamento del rilevamento e del raggio radio (radar) è quello di emettere onde elettromagnetiche e quindi ricevere le onde elettromagnetiche riflesse dall'oggetto. La maggior parte delle informazioni relative all'oggetto sono nascoste nella fase e nella frequenza delle onde elettromagnetiche ricevute dal radar. Queste informazioni possono essere facilmente estratte e utilizzate per individuare i parametri di base del bersaglio come distanza, angolo e velocità. Attraverso la conversione di segnali bidimensionali e tridimensionali (come il distance Doppler o il micro-Doppler), si possono ottenere maggiori informazioni per comprendere i movimenti sottili del corpo e persino i movimenti toracici causati dal battito cardiaco e dalla respirazione. Per la classificazione possono essere utilizzate anche immagini di nuvole di punti radar.

Alcuni dei vantaggi unici del radar sono che può percepire gli oggetti da un angolo di forma senza fare affidamento sulle condizioni di luce, può mantenere la privacy dei dati attraverso informazioni codificate interne e può funzionare in linea di vista e in condizioni non-linea di vista. Ma la sua applicazione dipende dal caso d'uso specifico. Alcuni esempi saranno discussi di seguito.

Sistema di monitoraggio dei driver Per i sistemi di monitoraggio dei driver, la tecnologia sensore più avanzata attualmente è una telecamera 2D. Queste telecamere sono generalmente installate direttamente davanti al conducente sul volante o sul cruscotto vicino al tachimetro e al tachimetro. In situazioni in cui è estremamente necessario comprendere la salute fisiologica del conducente nel suo insieme, ad esempio, in uno scenario di ingorghi, può essere necessario adottare un metodo combinato multi-sensore per raggiungere la guida autonoma di livello 2 o superiore. La tabella 1 riassume alcuni metodi applicabili a diversi casi d'uso.

Nel processo standard di elaborazione dei segnali vitali radar, la tecnologia interferometrica radar è necessaria per monitorare i cambiamenti nella fase del bersaglio rilevato nel tempo. 6, 7 Dopo l'elaborazione veloce della trasformazione Fourier (FFT) della distanza, la tecnologia convenzionale 1D CFAR può essere combinata con la ricerca di picco sullo spettro di gamma, o il rapporto di potenza picco-media (PAPR) Il rapporto tra potenza picco e media nel dominio a tempo lento nel contenitore di intervallo del target potenziale viene utilizzato come indicatore per selezionare il target potenziale. Per un obiettivo stazionario, il valore di picco FFT è vicino al valore medio dello spettro FFT nel dominio del tempo lento; e se è un bersaglio vibrante, come battito cardiaco o respirazione, il valore medio è molto piccolo, rendendo il PAPR grande.

Dopo aver preselezionato l'intervallo di distanza target, i segni vitali di rilevamento Doppler possono essere eseguiti in due modi: 1. Stimare la deviazione standard dei dati IQ nel dominio del tempo lento per vedere se si trova nell'intervallo del valore specificato; 2. Se si trova all'interno della frequenza dei segni vitali Se non c'è picco di energia nell'intervallo (0,2-3,3 Hz), lo spettro di distanza viene utilizzato per la misurazione. Poiché il rumore bianco può rendere il segnale sbagliato un segnale valido, il rilevamento Doppler è un passo molto importante prima di passare il segnale attraverso un filtro passa banda per filtrare gli obiettivi statici.

Dopo aver completato il rilevamento dei segni vitali, l'algoritmo di ricostruzione dell'ellisse viene utilizzato per correggere i dati IQ che raggiungono l'intervallo di distanza standard sopra menzionato per eliminare lo squilibrio di offset, fase e ampiezza causato da difetti hardware. Mappando l'ellisse su un cerchio perfetto, la ricostruzione dell'ellisse può aiutare a eliminare questi spostamenti di ampiezza e fase. La Figura 2 mostra il segnale IQ ricostruito quando l'algoritmo di ricostruzione dell'ellisse viene utilizzato per i normali segni vitali bersagli e movimenti casuali del corpo interferiscono con la ricostruzione. Successivamente, la fase del segnale ottenuta viene utilizzata per ricostruire la fase reale originale dell'onda dai suoi multipli 2π attraverso il modulo di decompressione della fase. Per i salti di fase maggiori di -π o +π, 2π deve essere aggiunto o sottratto, rispettivamente. La fase dispiegata contiene il segnale di spostamento:Tra questi: Î" è la lunghezza d'onda del vettore, e ϕ(t) è la fase estratta nel dominio del tempo lento. Il segnale di spostamento risultante contiene la sovrapposizione del segnale respiratorio e del segnale della frequenza cardiaca. Lasciare passare il segnale di spostamento attraverso un filtro passa banda per stimare la frequenza respiratoria quando la frequenza di inizio e di arresto sono rispettivamente 0,2 Hz e 0,4 Hz; e la frequenza cardiaca è stimata rispettivamente a 0,8 Hz e a 3 Hz. 10 Ci sono molti modi per stimare la frequenza respiratoria o cardiaca, tra cui:

1. La tecnologia di stima dello spettro della distanza richiede una trasformazione veloce Fourier (FFT) sul segnale di spostamento filtrato. Attraverso i picchi della frequenza cardiaca e respiratoria nello spettro di distanza FFT, la frequenza cardiaca e respiratoria possono essere stimati separatamente. La figura 3 mostra la stima della frequenza dei segni vitali utilizzando il metodo di analisi dello spettro della distanza.2. Stimare la frequenza respiratoria e la frequenza cardiaca filtrando statisticamente il valore di picco nel segnale di spostamento del dominio temporale. La figura 4 stima la frequenza dei segni vitali eseguendo statistiche di picco sui dati filtrati del dominio temporale. Il triangolo rosso rappresenta il valore di picco rilevato nella finestra del segnale del battito cardiaco. Il rilevamento dei cockpit è un mercato emergente e dovrebbe fare passi avanti con l'introduzione di normative locali. Il radar è considerato una tecnologia ad alto potenziale che può essere utilizzata per risolvere molti problemi, tra cui applicazioni di sicurezza passiva, come il rilevamento di bambini incagliati e il rilevamento di presenza. Tecnologie innovative di elaborazione del segnale e deep learning porteranno l'affidabilità di queste applicazioni ad un livello superiore, in modo da ottenere un perfetto equilibrio tra costo computazionale, grado di informazioni richieste per casi d'uso specifici e consumo energetico del sistema. In futuro, il metodo di fusione multi-sensore PCB dovrebbe essere in grado di creare un sistema più completo e affidabile realizzando la ridondanza del sensore.