基于毫米波雷达的自动感应门应用的参考设计

毫米波雷达具有敏锐的洞察力、探测范围广、测量数据精确、不受环境因素影响、穿透力强等高实用性的特点，在生产生活中应用极为广泛。基于毫米波雷达传感器的设备不仅为我们的生活带来了很多便利，还保证了设备运行的安全和高效性，如商场自动感应门、电梯门等设备中均有应用。
 
早前，TI发布了多款工业级毫米波雷达传感器，主要涵盖了楼宇自动化、智能安防、液位监控、交通流量监控、工业机器人、自动感应门等领域。本期文章主要讲述毫米波雷达在自动感应门上的应用。
 

（图源：TI官网）

 
自动感应门工作原理
 
自动感应门主要由主控器、传感器、驱动电机三部分组成。传感器对进门或出门区域进行实时探测，当感应到有人员移动时，及时地将脉冲信号传输至主控器中由主控器分析处理，通过主控器激活电机完成开门操作。
 
基于IWR6843的自动感应门应用的参考设计
 
IWR6843是一款由TI发布的60-GHZ毫米波雷达传感器，由于毫米波不受雨、雾、烟雾、光照强度等环境所约束，该传感器主要在自动感应门领域的自动推拉门、车库门、电梯门等实现多场景应用，推进大门朝节能化、智能化发展。TI还在IWR6843基础上进行了升级，推出了IWR6843 ISK 、IWR6843 ODS 、IWR6843AOP ，每块套件的性能略有不同。IWR6843 ISK 拥有水平方向120°、垂直方向30°的广角感应区域。IWR6843 ODS 拥有水平方向120°、垂直方向120°的广角感应区域。IWR6843AOP 拥有水平方向130°、垂直方向130°的广角感应区域。并且TI就IWR6843 ISK给出了自动感应门参考设计TIDEP-01018。

（主框架图 图源：TI）

 
IWR6843 ISK是一款60GHz~64GHz的毫米波传感器套件，该套件可通过USB可实现数据访问和供电，内部集成了4根接收天线、3根发射天线和DSP数据信号处理器。接口支持与MMWAVEICBOOST 和 DCA1000 匹配，方便进行数据访问和开发。
 
TIDEP-01018参考设计是在IWR6843 ISK基础上加入了ICB（工业载板），并且在IWR6843传感器中集成了完整的雷达信号处理链。该设计可对水平方向120°，距离为5m内的人进行跟踪、和速度采集，判断人行走的方向进行开关门操作。

（基于IWR6843自动感应门工作流程 图源：TI）

 
前端部分主要进行数模转化，信号处理部分主要还是在DSP处理器中进行处理，经DSP处理后的数据得出距离、角度等信息，再进入ARM Cortex R4F处理器进行目标跟踪。通过1D windowing 和 1D FFT进行探测范围数据处理，在Capon波束形成器中去除静态杂波，生成协方差矩阵和逆角普存储在内存中，并将二者结合，构建距离矩阵热图。在距离矩阵热图内通过两次CFAR算法进行目标检测。主要是对检测范围内的每个水平方向角度检测，将第一次的结果再通过CFAR检测一次然后存在L2储存中，完成目标检测，该过程是为了精确锁定目标。再通过多普勒效应对目标的距离和速度进行检测，最后进入ARM Cortex R4F处理器对目标进行追踪、判断、输出开门信号。
 
任务处理模式
 

（任务处理模型 图源：TI）

 
在任务处理方式上该设计有自己独有的处理方式。如上图所示，Mailbox为高优先级任务，Application为低优先级任务。在系统配置中，处于优先级的Mailbox任务会收到一个来自DSP准备就绪的信号，Mailbox任务会将相关数据复制于TCM中，并且与应用Application完成通信，给Application发布任务，创建传输帧头，并且为框架内的每一部分启动一个DMA进程。每当DMA与UART进行数据传输时，Mailbox任务就会产生一个低优先级的任务。当DMA进程结束时可以新增DMA，实现任务处理和DMA之间的并行性。
 
群跟踪算法

（群跟踪算法流程图 图源：TI）

 
群跟踪算法是TI在该设计中加入的智能算法，这个智能算法的加入，将开关门操作更合理化。通过程序任务先创建一个用来描述传感器场景、行为、目标，具有配置参数算法的实例。然后该算法可对先前配置好的参数进行调用，每帧可调用一次。可建立多组数据建立数据库。该算法可以通过测量输入的极坐标数据，对目标进行追踪。还可通过算法预测移动目标的距离、移动方向和速度来判断是否需要进行开关门操作。

（图源：TI）

 
该设计有什么优势
 
降低出错率，该设计加入了多次检测功能和群跟踪算法，能有效判断移动的目标是否有开门需求。如传感器检测到入口有移动目标，仅仅只是路过不入门，则无需开门降低电力损耗和不必要的能源浪费。
 
静态对象检测功能，该设计可对静态物体进行检测，防止危险事故发生。例如，自动感应门门轨上有异物放置或人员停留，通过传感器芯片的算法检测后作出判断，保证门处于打开状态，避免事故发生。
 
低成本，该设计集成度高、检测结果精准、检测范围广，一个传感器可覆盖同一范围内的多个门，能够有效地降低电路设计的难度和成本。例如，现在市面上很多传感只能1对1的使用，无形中提高了成本。
 
智能，该设计采用了毫米波雷达传感器和多种检测方法，能够快速检测移动目标的距离和速度，及时调整开门的时间和开门的速度，避免移动目标速度太快，到达门前时未及时开门，降低交互体验。
 
总结
 
总的来说该设计将自动感应门变得智能化、高效化，静态检测功能提高了设备运行的安全性。还加入了群跟踪算法使开关门操作更合理，减少电机的使用次数，降低了电能损耗。