無人機(jī)毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

于壽鵬，周志權(quán)，趙占鋒

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209）

無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，然而不論執(zhí)行何種任務(wù)，無人飛行器首先要保證飛行過程中的安全[1]。其中無人飛行器對周圍障礙物的檢測是實現(xiàn)飛行安全的關(guān)鍵。根據(jù)探測原理和媒介的不同，障礙檢測方式主要有激光雷達(dá)、紅外測探、毫米波雷達(dá)和機(jī)器視覺等[2-3]。機(jī)器視覺可以達(dá)到對地探測4.3海里[4]，但對環(huán)境敏感。紅外探測在夜間的探測優(yōu)勢明顯，但同樣對環(huán)境敏感。激光雷達(dá)探測距離及角度分辨率都比較高,但激光雷達(dá)體積過大，很難應(yīng)用在無人機(jī)上[5]。雷達(dá)具有抗干擾能力強(qiáng)、可以全天候應(yīng)用的特點，但傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)存在尺寸大、功耗大的缺陷，難以搭載到無人機(jī)平臺上。

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，單芯片的毫米波雷達(dá)解決方案應(yīng)運而生。IWR1642是德州儀器公司推出的一款基于FMCW雷達(dá)技術(shù)的毫米波雷達(dá)傳感器，能夠在76～81 GHz頻段內(nèi)工作，并具有4 GHz的連續(xù)調(diào)頻帶寬。該器件采用了TI的低功耗15 nm RFCMOS工藝制造，在極小的尺寸內(nèi)實現(xiàn)了前所未有的集成度。該器件內(nèi)部集成了內(nèi)置鎖相回路（Phase Locked Loop，PLL）及AD轉(zhuǎn)換器的兩個發(fā)射系統(tǒng)和4個接收系統(tǒng)。同時IWR1642內(nèi)部不僅集成了負(fù)責(zé)雷達(dá)信號處理的TI高性能C674x DSP子系統(tǒng)，還集成了一個基于ARM R4F內(nèi)核的控制器子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)雷達(dá)前端的配置、雷達(dá)系統(tǒng)的控制及通信等任務(wù)。本文基于該器件的特性提出了一種基于IWR1642的小型無人機(jī)載毫米波防撞雷達(dá)設(shè)計方案，實現(xiàn)對無人飛行器前向障礙物的檢測，其具有體積小、功耗低、精度高等特點，性能指標(biāo)較原有的系統(tǒng)有了較大的提升。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線系統(tǒng)及IWR1642子系統(tǒng)兩部分組成。天線系統(tǒng)是由兩個發(fā)射天線及4個接收天線按照一定規(guī)則組成的陣列，負(fù)責(zé)向外輻射調(diào)頻連續(xù)波及接收目標(biāo)反射回的信號。

IWR1642子系統(tǒng)由IWR1642芯片、電源管理單元、程序存儲器、晶振及相關(guān)通信接口構(gòu)成。IWR1642內(nèi)部DSP處理器負(fù)責(zé)從雷達(dá)前端讀取數(shù)據(jù)并作雷達(dá)信號處理，ARM處理器則主要負(fù)責(zé)調(diào)度控制雷達(dá)系統(tǒng)工作同時完成與外部設(shè)備的交互，對外輸出目標(biāo)檢測信息。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

IWR1642高度集成的特性不僅降低了成本、縮小了體積，更使得基于該器件的雷達(dá)系統(tǒng)硬件設(shè)計變得更加方便和快捷。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由雷達(dá)天線陣列、電源模塊、IWR1642及IWR1642的一些外圍電路組成。

2.1 電源模塊

本文設(shè)計的雷達(dá)系統(tǒng)采用單一5 V電源供電，整個系統(tǒng)需要3.3 V，1.8 V，1.2 V和1.0 V4種電壓?？紤]1.8 V及1.0 V將被直接應(yīng)用于IWR1642內(nèi)部的模擬及射頻模塊，因此對這兩種電壓有一定的紋波要求。同時考慮電源模塊的體積及效率，系統(tǒng)初級電源采用高效率的開關(guān)電源方案，對要求較高的電源再使用一級線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)電源芯片采用TI的多通道電源管理芯片LP87524B，其內(nèi)部具有獨立的4通道BUCK降壓轉(zhuǎn)換器，具有4 MHz的開關(guān)頻率，總輸出電流可以達(dá)到10 A，并支持過熱及過載保護(hù)。具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信接口可以在線配置輸出電壓，在本設(shè)計中配置其內(nèi)部四通道電源分別輸出3.3 V，2.1 V，1.3 V和2 V 4種電壓。

線性穩(wěn)壓器采用T I的高精度、低噪聲穩(wěn)壓器件TPS7A83A，在可以提供2 A電流的同時最大壓差僅為200 mV。其優(yōu)異的性能可以抑制電源產(chǎn)生的相位噪聲和時鐘抖動，十分適合應(yīng)用于模擬及射頻組件。本設(shè)計中利用該器件將前級開關(guān)電源生成的2.1 V和1.3 V調(diào)整至1.8 V和1.0 V供IWR1642使用。系統(tǒng)整體電源拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 程序存儲器模塊

IWR1642內(nèi)部沒有集成可供用戶使用的非易失性存儲器，因此在系統(tǒng)設(shè)計時必須為IWR1642配置外部的存儲器，以存儲IWR1642內(nèi)部ARM及DSP核的用戶代碼及其他需要掉電保存的系統(tǒng)參數(shù)。IWR1642支持自動從Queued SPI（QSPI）FLASH存儲器加載用戶應(yīng)用程序。IWR1642內(nèi)部QSPI僅支持主機(jī)模式，可以通過1，2或4條數(shù)據(jù)線訪問外部的SPI設(shè)備。并且IWR1642內(nèi)部QSPI模塊具有內(nèi)存映射寄存器接口，可以配置直接訪問外部SPI設(shè)備的數(shù)據(jù)，大大簡化了軟件設(shè)計復(fù)雜度。本設(shè)計采用QSPI FLASH的型號為MX25R1635FZUIL0，容量16 Mb。圖3為QSPI FLASH電路。

2.3 CAN總線接口模塊

本設(shè)計中雷達(dá)系統(tǒng)與外部的數(shù)據(jù)、命令交互采用UART串行接口及CAN總線接口。IWR1642內(nèi)部DCAN控制器模塊支持CAN 2.0協(xié)議，支持串行多主機(jī)通信協(xié)議，通信速率最高1Mbps，外部適配合適的CAN收發(fā)器即可滿足分布式實時控制的要求。這里物理層的CAN收發(fā)器采用TI的TCAN1042V，設(shè)計電路如圖4所示。

圖3 QSPI Flash電路

圖4 CAN總線接口電路

2.4 天線模塊

IWR1642內(nèi)部集成兩個發(fā)射通道及4個接收通道，需要設(shè)計與之匹配的天線完成導(dǎo)波信號與空間信號的轉(zhuǎn)化。本設(shè)計天線采用PCB微帶天線，考慮國內(nèi)制造工藝及性價比，PCB介質(zhì)板選用ROGERS公司10 mil厚度的RO4350B高頻低損耗板材，介電常數(shù)3.66。設(shè)計天線駐波比＜1.6，特性阻抗54.55～54.90 Ω，增益9.3 dB。4個相同的接收天線在水平方向上按λ/2的間距排列，兩個相同的發(fā)送天線在水平方向上按照2λ的間距排列組成天線陣。板載PCB微帶天線如圖5所示。

圖5 板載雷達(dá)微帶天線布局

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用程序基于TI RTOS實時操作系統(tǒng)開發(fā)。TI RTOS操作系統(tǒng)內(nèi)核是一種確定性搶占式多任務(wù)內(nèi)核，這就允許開發(fā)人員在實時期限內(nèi)創(chuàng)建完成相對復(fù)雜的應(yīng)用程序，十分適用于雷達(dá)系統(tǒng)。根據(jù)DSP與ARM各自的特點及本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的任務(wù)，分配數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）核完成數(shù)字信號處理任務(wù)，反雷達(dá)導(dǎo)彈（Anti Radar Missile，ARM）核完成雷達(dá)系統(tǒng)的通信及控制任務(wù)。雷達(dá)系統(tǒng)軟件整體框圖如圖6所示。

圖6 雷達(dá)系統(tǒng)軟件程序

3.1 ARM程序設(shè)計

本設(shè)計中ARM處理器主要被用于雷達(dá)系統(tǒng)的控制及同外部設(shè)備通信。系統(tǒng)上電后ARM處理器首先完成自身硬件的初始化工作，并使DSP處理器退出復(fù)位狀態(tài)，然后啟動運行TI-RTOS系統(tǒng)。ARM處理器中有 mssInitTask，mmsMMWaveCtrlTask，mssConsoleTask，mmsCtrlTask及mmsMailboxTask 5個系統(tǒng)任務(wù)運行完成系統(tǒng)功能。各任務(wù)間采用信號量及事件機(jī)制同步，并通過郵箱完成與DSP核的通信。

mssInitTask任務(wù)在系統(tǒng)中最先被創(chuàng)建和運行，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)所需硬件外設(shè)的初始化工作，并完成其他任務(wù)的創(chuàng)建及運行。

mmsMMWaveCtrlTask任務(wù)是TI提供的毫米波組件運行所必須的任務(wù)，主要為組件程序的運行提供上下文環(huán)境。

mssConsoleTask任務(wù)主要完成通信功能。從串口接收數(shù)據(jù)，完成命令解析，發(fā)布相應(yīng)的信號同步其他任務(wù)的運行。同時該任務(wù)將根據(jù)命令對外通過串口輸出檢測到障礙物的信息。

mmsCtrlTask任務(wù)主要是根據(jù)來自mssConsoleTask的信號完成相應(yīng)的操作，完成直接的雷達(dá)系統(tǒng)控制功能。

mmsMailboxTask任務(wù)被用于讀取來自DSP核的消息，完成核間通信功能。

3.2 DSP程序設(shè)計

本設(shè)計中D SP主要被用于雷達(dá)信號處理，根據(jù)ARM發(fā)送的消息，配置信號處理鏈，完成信號處理提取目標(biāo)信息。DSP中設(shè)計dssInitTask，dssMailboxTask，dssMMWaveCtrlTask和dssDataProcessTask 4個系統(tǒng)任務(wù)完成預(yù)定工作。

dssInitTask任務(wù)主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)所需硬件外設(shè)的初始化工作，并創(chuàng)建其他任務(wù)。

dssMailboxTask 任務(wù)被用于讀取來自ARM核的控制命令，完成核間通信功能。

dssMMWaveCtrlTask任務(wù)主要為TI毫米波組件提供運行的上下文環(huán)境。

dssDataProcessTask任務(wù)是DSP中的核心雷達(dá)信號處理任務(wù)。DSP從雷達(dá)射頻前端獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將信號中含有的目標(biāo)障礙物的距離、速度和角度信息利用特定的算法提取出來。無人機(jī)防撞雷達(dá)涉及的雷達(dá)信號處理算法主要有時域信號的濾波及加窗技術(shù)、目標(biāo)檢測、頻譜估計、角度檢測等[6]。雷達(dá)信號處理流程如圖7所示。

圖7 信號處理流程

4 測試

為了驗證雷達(dá)系統(tǒng)功能，設(shè)計了無人機(jī)搭載雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行戶外測試實驗。無人機(jī)平臺選用大疆的經(jīng)緯M200，雷達(dá)系統(tǒng)被設(shè)計固定搭載在M200云臺上，以減小無人機(jī)震動對雷達(dá)系統(tǒng)的影響。無人機(jī)升空后距地面3 m開始懸停，接收到開始工作命令后，雷達(dá)系統(tǒng)開始工作并對PC端回傳檢測到的障礙物信息。

第一次實驗在無人機(jī)前方15 m，高1.5 m處放置一個角反射器，雷達(dá)系統(tǒng)成功檢測到目標(biāo)，實時在線給出的測量距離為15.36 m。將采樣數(shù)據(jù)做離線處理后，處理結(jié)果如圖8—9所示，與在線處理結(jié)果一致。

圖8 角反射器測試IQ通道時域信號

圖9 角反射器測試一維FFT距離—幅度

第二次實驗在無人機(jī)前方高1.5 m處，與雷達(dá)平行橫向放置兩根用于模擬電力線的直徑為15 mm的鋼管，鋼管前后相距30 mm，繼續(xù)做一組測試，測試結(jié)果如表1所示，成功測量出兩根電力線的距離。

表1 模擬電力線測試實時處理結(jié)果

同樣將采樣數(shù)據(jù)做離線處理后，處理結(jié)果如圖10—11所示，與在線處理結(jié)果一致。

圖10 模擬電力線測試IQ通道時域信號

圖11 模擬電力線測試FFT處理結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計了以IWR1642為核心的小型無人機(jī)防撞雷達(dá)系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對無人機(jī)前向障礙的檢測，并提取出障礙物的距離信息。通過串口實時將障礙物信息傳出，同時可通過串口對雷達(dá)進(jìn)行啟停控制，降低功耗。實驗結(jié)果驗證所設(shè)計的雷達(dá)能夠?qū)崟r檢測到障礙，并給出障礙物信息，滿足避障雷達(dá)系統(tǒng)要求，同時其由于體積小、功耗低，具有較高應(yīng)用價值。