Applicazioni industriali più intelligenti con l’incremento della frequenza operativa dei sensori mmWave da 24 a 60 GHz

Città, edifici e fabbriche diventano sempre più intelligenti e richiedono sensori sempre più performanti.  Negli ultimi anni, i sensori a onde millimetriche (mmWave) hanno conquistato nuovi spazi grazie alla loro capacità di rilevare la velocità e l’orientamento degli oggetti in differenti ambiti.

I sensori mmWave utilizzano il rilevamento a radiofrequenza (RF) anziché la luce o le onde sonore; ciò offre la possibilità di rilevare persone persone e oggetti attraverso una varietà di materiali, come vetro e cartongesso. Questi sensori possono funzionare anche in presenza di fattori ambientali come fumo, pioggia e condizioni di scarsa illuminazione. Tale capacità consente prestazioni elevate sia in applicazioni interne che esterne, inclusa la rilevazione dello spostamento, le protezioni di sicurezza, il controllo dell’illuminazione e i sistemi intelligenti di  trasporto.

Il rilevamento radar può utilizzare più bande RF ciascuna delle quali   è soggetta a normative che possono variare a seconda dei paesi. La maggior parte dei sensori RF utilizza le bande radio a 24, 60 e 77 GHz. La banda a 77 GHz è comune nelle applicazioni automobilistiche, ma ha limitazioni nella maggior parte delle regioni del mondo per le applicazioni degli stabilimenti industriali, edifici e infrastrutture urbane, nonché in quelle che  richiedono l’interazione uomo/macchina.

Le normative e gli standard codificati dall’European Telecommunications Standards Institute (ETSI) e dalla Federal Communications Commission (FCC) vietano ai nuovi prodotti di utilizzare la banda a larghissima banda dei 24 GHz a partire da settembre 2018. Tutti i prodotti esistenti che utilizzano la banda ultrawide a 24 GHz dovranno essere eliminati gradualmente entro il 2022. Queste modifiche normative avranno un impatto negativo sulla risoluzione e sulla portata dei sensori mmWave, coinvolgendo anche i requisiti di robustezza e precisione. Le immagini con un’elevata densità di punti che questi sensori erano in grado di offrire ai progettisti dovranno, dunque, trovare rapidamente una tecnologia sostitutiva.

Fortunatamente l’utilizzo della banda dei 60 GHz non è limitato da alcuna norma, attuale o futura. I sensori che utilizzano questa banda sono in grado di ricostruire immagini con elevata precisione grazie alla densità dei punti rilevati, rendendo i 60 GHz una buona alternativa per le applicazioni di rilevamento radar in ambienti industriali di tutto il mondo.

Le bande di frequenza a 24 e 60 GHz

Figura 1: Caratteristiche delle bande di frequenza a 24 e 60 GHz.

 

La banda di frequenza a 24 GHz comprende due componenti principali: una banda ultra larga (UWB) e una banda stretta (NB), come si vede in Figura 1. La banda UWB si estende da 21,65 GHz a 26,65 GHz, per una larghezza di banda complessiva di 5 GHz. Quella più stretta (NB) è destinata ad impieghi ISM (Industriali, Scientifici e Medici); la frequenza è compresa tra 24,0 e 24,25 GHz, per una larghezza di banda complessiva di appena 250 MHz.

Come accennato in precedenza, a causa dell’evoluzione e degli standard sviluppati dall’European Telecommunications Standards Institute e dalla U.S. Federal Communications Commission, lo spettro UWB a 24 GHz non sarà più disponibile sia in Europa che negli USA a partire dal 1 ° gennaio 2022. Probabilmente altre regioni implementeranno normative simili.

In confronto, i nuovi sensori mmWave di Texas Instruments a 60 GHz dispongono di 4 GHz di larghezza di banda, 16 volte in più rispetto alla larghezza di banda che sarà disponibile a 24 GHz una volta che le normative entreranno in vigore.

Poiché la risoluzione dei sensori mmWave dipende fortemente dalla larghezza di banda disponibile, i sensori mmWave a 60 GHz offriranno prestazioni significativamente migliori rispetto ai sensori a 24 GHz che continueranno ad essere prodotti sfruttando la banda restante, quella NB tra 24,0 e 24,25 GHz.


Nuvole di dati con alta densità di punti

Il rilevamento di oggetti è una funzione chiave per i sensori mmWave, ma molte applicazioni richiedono molto di più rispetto al  semplice rilevamento di oggetti. Ad esempio, il rilevamento del movimento è un caso d’uso standard che i sensori mmWave possono. Mentre altre tecnologie possono rilevare sufficientemente la presenza di persone in una stanza, il conteggio e il monitoraggio delle persone richiede una grande quantità di dati, nuvole con tantissimi punti, per identificare accuratamente le persone evitando errori di rilevamento.

L’enorme quantità di dati rappresentati dalle dense nuvole di punti, consente di identificare con precisione il numero di oggetti nel campo visivo (FoV) del sensore, indicarne la posizione e classificarli. Un esempio di difficile classificazione per sensori standard potrebbe essere rappresentato da una persona confusa nel disordine di una stanza, con ventilatori, persiane e altri oggetti. Con i sensori mmWave è possibile identificare gli oggetti specifici, distinguere tra una persona e un cane, realizzando così una valida applicazione di sicurezza perimetrale.

Il monitoraggio del traffico e degli incroci è un’altra applicazione in cui il sensore deve distinguere accuratamente tra due auto che viaggiano in parallelo, contare il numero di auto in un parcheggio o monitorare i movimenti dei pedoni. In ciascuno di questi scenari, i punti delle nuvole sono fondamentali per mantenere un’elevata precisione del monitoraggio. I dati dei punti provengono da quattro parametri dei sensori mmWave: i punti negli assi x, y e z e quelli relativi alla velocità radiale. La raccolta di dati significativi richiede sensori con piccoli intervalli ed elevata risoluzione.


Larghezza di banda e risoluzione

Una risoluzione fine consente ai sistemi industriali di identificare e separare in modo affidabile oggetti ravvicinati.

La risoluzione dipende dalla larghezza di banda del segnale radio a disposizione nonché dalla frequenza dello stesso. Sebbene le bande dei 60 e 24 GHz offrano attualmente prestazioni comparabili, quando le modifiche al regolamento limitano la larghezza di banda dei segnali a 24 GHz a soli 250 MHz, ciò determinerà un forte calo della risoluzione, con un impatto negativo su tutte le applicazioni di rilevamento radar.

Il sensore di onde millimetriche IWR6843 di Texas Instruments offre fino a 4 GHz di larghezza di banda e la risoluzione dell’intervallo risultante è pertanto di 3,75 cm. La migliore risoluzione possibile per un sensore a 24 GHz che utilizza 250 MHz di larghezza di banda è invece di 60 cm. Per la risoluzione dell’immagine, numeri più bassi offrono un maggior numero di punti con cui ricostruire l’immagine. La Tabella 1 confronta la risoluzione  offerta da varie tecnologie di rilevamento radar nel 2022.

Tabella 1: Risoluzione in centimetri offerte dalle differenti bande di frequenza. 

 

La Figura 2 confronta i dati della nuvola di punti acquisiti dal sensore IWR6843 utilizzando sia 4 GHz che 250 MHz di larghezza di banda, a una distanza di 3 m. Il risultato dell’esperimento illustra l’impatto che la risoluzione ha nella raccolta di dati e perché la riduzione della larghezza di banda a 24 GHz nel 2022 rappresenta un cambiamento così critico.

Figura 2: Punti rilevati con larghezze di banda differenti.

 

Rilevazione della velocità

A differenza della risoluzione della nuvola di punti e dell’immagine di cui abbiamo appena parlato, la precisione nel rilevare la velocità  dipende da una varietà di parametri. Di base, la risoluzione della velocità scala proporzionalmente alla frequenza centrale, piuttosto che alla larghezza di banda. Pertanto, il radar a 60 GHz può anche offrire prestazioni di rilevamento della velocità fino a 2,5 volte migliori rispetto alla frequenza dei 24 GHz, grazie alla frequenza centrale più alta.

L’impatto di nuvole con un minore numero di punti comporta la necessità di rivedere gli algoritmi. Tuttavia, anche se l’ottimizzazione dell’algoritmo offrisse le stesse prestazioni con meno dati, richiederebbe tempi di elaborazione più lunghi e maggiori risorse, che potrebbero influire sulle prestazioni a livello di sistema o sui costi di elaborazione.

Una maggiore precisione nella misura della velocità consente di tracciare meglio i movimenti laterali, ottenendo così anche un rilevamento più stabile e sicuro degli oggetti in movimento. In applicazioni come il conteggio delle persone, la separazione degli oggetti e il rilevamento del movimento laterale sono fondamentali per rilevare con precisione le persone che camminano a stretto contatto, al fine di ridurre al minimo gli errori del sistema.


Elaborazione intelligente

È possibile evitare falsi rilevamenti applicando algoritmi per la modellazione ambientale e la classificazione degli oggetti ai punti rilevati. Questi algoritmi si basano su input di dati robusti per ridurre al minimo gli errori e rilevare e classificare accuratamente gli oggetti all’interno del campo visivo del sensore.

L’elaborazione dei dati della nuvola di punti per l’identificazione e la classificazione degli oggetti richiede algoritmi che necessitano di potenti processori. Molti sistemi si basano su un processore di segnale digitale (DSP) dedicato ad elaborare i dati grezzi acquisiti dai sensori mmWave. Il sensore mmWave di TI integra un microcontrollore e un DSP con accelerazione rapida della trasformata di Fourier per gestire non solo l’acquisizione dei dati, ma anche applicazioni avanzate come la classificazione degli oggetti su un singolo chip, fornendo direttamente intelligenza al dispositivo.

I sensori TI mmWave sono in grado non solo di rilevare ed estrarre la forma, la velocità e l’angolo di spostamento degli oggetti, ma anche di sfruttare tali informazioni per contare le persone, controllare i movimenti e classificare gli oggetti. Questa capacità di elaborazione consente al sensore di prendere decisioni sul posto e ridurre la complessità del sistema, pur continuando a comunicare con sistemi più complessi.


Risparmio di spazio su PCB

Le dimensioni fisiche del progetto sono una preoccupazione costante per molti progettisti di sensori. Sia che lo spazio fisico disponibile sia limitato o che il sensore necessiti di un design sottile e piccolo per potersi nascondere meglio in una stanza, ridurre al minimo le dimensioni del circuito stampato (PCB) rappresenta sempre una sfida.

PCB più piccoli semplificano la progettazione dei sensori, sia che debbano essere montati su una parete o un soffitto, posizionati accanto a una telecamera o installati in luoghi con spazio ridotto,  come all’interno dei paraurti delle vetture.

Uno dei componenti più grandi di un PCB per dispositivi di rilevamento radar è l’array di antenne. Quest’ultima è progettata per soddisfare specifiche quali la copertura e il guadagno, e una parte significativa del progetto deve tenere conto della lunghezza d’onda del segnale radar.

Lunghezze d’onda maggiori richiedono array di antenne più grandi. Al contrario, come nel caso dei dispositivi a 60 GHz con lunghezza d’onda più piccola, è possibile ridurre al minimo la dimensione della schiera di antenne pur ottenendo le stesse prestazioni.

Nel caso specifico, la porzione del PCB che integra l‘antenna, presenta dimensioni sei volte inferiori rispetto ai sensori a 24 GHz esistenti, come mostrato nella Figura 3. Questo ridimensionamento consentirà ai nuovi prodotti di includere l’antenna all’interno del sensore, ridurre ulteriormente le dimensioni del sensore stesso così come i costi di implementazione.

Figura 3: Dimensioni delle antenne in funzione della frequenza operativa.

 

I sensori TI mmWave integrano anche l’elaborazione del segnale e dei dati in un singolo chip, il che si traduce in un minor numero di componenti che consente di ridurre ulteriormente sia lo spazio sulla scheda che i costi della distinta base (BOM).

Come mostra la Figura 4, per ottenere un sistema a due ricetrasmettitori (2TX) e quattro ricevitori (4RX), i sensori a 24 GHz richiedono più componenti rispetto a un singolo sensore mmWave. Inoltre, il front-end analogico e l’elaborazione digitale richiedono un instradamento accurato e spesso richiedono anche PCB separati, aggiungendo complessità e costi al sistema.

Figura 4: Raffronto tra una tipica soluzione 24 GHz con 2TX/4RX e la soluzione altamente integrata di TI.

Grazie alla frequenza più elevata e alla presenza di un singolo chip integrato, le soluzioni TI mmWave possono ridurre significativamente l’ingombro dei prodotti rispetto alle attuali offerte a 24 GHz. Ciò porta a riduzioni del peso, costi di installazione e distinta base inferiori e una più facile integrazione dal punto di vista meccanico.


Conclusioni

Poiché le modifiche dei regolamenti che entreranno a regime nel 2022 iniziano ad influenzate gli attuali progetti industriali, tutti i sistemi che sfruttano la banda a 24 GHz devono essere rivalutati per determinare la loro futura fattibilità. La riduzione della risoluzione dei sensori avrà un impatto su decine di applicazioni e le modifiche al design devono iniziare ora per essere pronti alla scadenza dei termini.

Qualsiasi valutazione attuale relativa a soluzioni a 24 GHz dovrebbe tenere conto di questo cambiamento imminente; gli utenti attenti ai propri impianti devono agire immediatamente per determinare se e quanto la riduzione della larghezza di banda influirà sul funzionamento dei macchinari, rendendo, nel caso, necessario un intervento.

I progettisti di sistemi di rilevamento industriale dovrebbero considerare i vantaggi dei sensori a chip singolo a 60 GHz di TI, dalla loro capacità di acquisire nuvole di dati ricche di punti in un fattore di forma compatto, alla portata e precisione del rilevamento della velocità fino all’elaborazione integrata.

Ulteriori risorse:

 

 

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