于壽鵬，周志權(quán)，趙占鋒

（哈爾濱工業(yè)大學（威海） 信息與電氣工程學院，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、紅外測探、毫米波雷達和機器視覺等[2-3]。機器視覺可以達到對地探測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。激光雷達探測距離及角度分辨率都比較高,但激光雷達體積過大，很難應(yīng)用在無人機上[5]。雷達具有抗干擾能力強、可以全天候應(yīng)用的特點，但傳統(tǒng)毫米波雷達存在尺寸大、功耗大的缺陷，難以搭載到無人機平臺上。

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雷達技術(shù)的毫米波雷達傳感器，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)部不僅集成了負責雷達信號處理的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)，主要負責雷達前端的配置、雷達系統(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的小型無人機載毫米波防撞雷達設(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，負責向外輻射調(diào)頻連續(xù)波及接收目標反射回的信號。

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處理器負責從雷達前端讀取數(shù)據(jù)并作雷達信號處理，ARM處理器則主要負責調(diào)度控制雷達系統(tǒng)工作同時完成與外部設(shè)備的交互，對外輸出目標檢測信息。

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，總輸出電流可以達到10 A，并支持過熱及過載保護。具有標準的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)整體電源拓撲如圖2所示。

圖2 電源拓撲結(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 板載雷達微帶天線布局

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的雷達系統(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)建完成相對復雜的應(yīng)用程序，十分適用于雷達系統(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)，反雷達導彈（Anti Radar Missile，ARM）核完成雷達系統(tǒng)的通信及控制任務(wù)。雷達系統(tǒng)軟件整體框圖如圖6所示。

圖6 雷達系統(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，負責完成系統(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信息。DSP中設(shè)計dssInitTask，dssMailboxTask，dssMMWaveCtrlTask和dssDataProcessTask 4個系統(tǒng)任務(wù)完成預定工作。

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

圖7 信號處理流程

4 測試

為了驗證雷達系統(tǒng)功能，設(shè)計了無人機搭載雷達系統(tǒng)進行戶外測試實驗。無人機平臺選用大疆的經(jīng)緯M200，雷達系統(tǒng)被設(shè)計固定搭載在M200云臺上，以減小無人機震動對雷達系統(tǒng)的影響。無人機升空后距地面3 m開始懸停，接收到開始工作命令后，雷達系統(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前方15 m，高1.5 m處放置一個角反射器，雷達系統(tǒng)成功檢測到目標，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前方高1.5 m處，與雷達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防撞雷達系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對無人機前向障礙的檢測，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進行啟?？刂?，降低功耗。實驗結(jié)果驗證所設(shè)計的雷達能夠?qū)崟r檢測到障礙，并給出障礙物信息，滿足避障雷達系統(tǒng)要求，同時其由于體積小、功耗低，具有較高應(yīng)用價值。