Автономные автомобили, «слепые» в густом тумане, промышленные роботы, глохнущие в тёмных заводских углах, или умные медицинские устройства, генерирующие ложные тревоги из-за изменения освещения — вот критические сбои, с которыми сталкиваются системы Edge AI , использующие исключительно традиционные оптические датчики (камеры и лидары). Для достижения настоящей автономности 5-го уровня и всеобъемлющего интеллекта, действующей в любых условиях, машинам требуется надёжное восприятие, не ограниченное окружающей средой .
Это центральное и неотъемлемое ценностное предложение датчика миллиметрового диапазона (мм-волн) .
Как подчеркнул вице-президент NVIDIA по робототехнике и передовому ИИ Дипу Талла: «Мы не создаём роботов, а обеспечиваем целую отрасль нашей инфраструктурой и программным обеспечением». Такие платформы, как комплект разработчика NVIDIA Jetson AGX Thor, специально разработаны для эффективной обработки высоконадежных данных датчиков нового поколения, предоставляемых mmWave, что делает возможным автономное функционирование в режиме реального времени.
В этой статье мы подробно рассмотрим, как миллиметровый радар , используя свои уникальные физические свойства, обеспечивает всепогодную, высокоточную и конфиденциальную основу для восприятия данных в таких критически важных областях, как автономные машины, интеллектуальный транспорт и здравоохранение с использованием искусственного интеллекта . Мы проанализируем его особую техническую ценность и огромный потенциал, открываемый благодаря глубокой интеграции с мощными процессорами Edge AI .
Физический принцип, преодолевающий оптические ограничения
Чтобы оценить всю ценность радара миллиметрового диапазона , необходимо начать с его рабочего диапазона частот.
Радарные датчики миллиметрового диапазона работают в электромагнитном спектре от 30 до 300 ГГц , с длиной волны всего от 1 до 10 миллиметров . По сравнению с видимым или ближним инфракрасным светом, используемым камерами и лидарами, более длинная длина волны миллиметрового диапазона обеспечивает ему непревзойденную проникающую способность:
Проницаемость окружающей среды: миллиметровые волны способны проходить сквозь капли дождя, снежинки, туман, дымку и пыль с минимальным затуханием сигнала. Это основная причина выхода из строя оптических датчиков в неблагоприятных погодных условиях. Это физическое свойство обеспечивает непрерывный и надежный поток данных практически в любых условиях.
Проникновение в материалы: Миллиметровые волны могут проходить сквозь непроводящие материалы, такие как пластик, гипсокартон и одежда. Это позволяет осуществлять бесконтактный мониторинг жизненно важных показателей или скрытое развертывание, предоставляя уникальные преимущества в сфере медицины, безопасности и интеллектуальных зданий.
Техническое обозрение: переход от 3D к 4D облакам точек
Современный радар миллиметрового диапазона в основном использует технологию частотно-модулированной непрерывной волны (FMCW) . Анализируя изменение частоты (доплеровский сдвиг) и временную задержку отраженного сигнала, датчик точно определяет не только дальность, азимут и высоту цели (трехмерную пространственную информацию) , но и ее радиальную скорость , формируя четырехмерное облако точек , содержащее информацию о скорости.
Эти 4D-данные чрезвычайно ценны для систем периферийного ИИ : модели ИИ могут напрямую использовать информацию о скорости для быстрого различения статических объектов (помех) и движущихся целей (например, пешеходов), значительно повышая точность алгоритмов прогнозирования и отслеживания . Кроме того, используя доплеровскую фильтрацию скорости, системы могут эффективно подавлять шум и «фантомные цели», вызванные многолучевыми отражениями, очищая данные восприятия.
Три основных принципа MmWave Radar для Edge AI
Радар MmWave необходим для объединения данных мультимодальных датчиков и служит важным дополнением для решения трех основных проблем восприятия для систем искусственного интеллекта:
1. Достижение устойчивого восприятия в любую погоду и в любую среду
В системах автономного вождения радар миллиметрового диапазона, пожалуй, единственный датчик, сохраняющий высокую эффективность в условиях сильного дождя, густого тумана или яркой подсветки . В промышленных условиях его способность проникать сквозь дым, пыль и металлические сетки обеспечивает безопасную и непрерывную работу промышленных роботов и автономных мобильных роботов (AMR) в суровых заводских условиях, значительно увеличивая время безотказной работы и надежность системы .
2. Уникальная ненавязчивая защита конфиденциальности
Важно отметить, что датчики mmWave выдают абстрактные данные в виде четырёхмерного облака точек , а не визуально идентифицируемые изображения. Эта функция позволяет осуществлять непрерывный мониторинг присутствия людей, поведения (падений) и жизненно важных показателей в таких чувствительных помещениях, как дома престарелых или больницы , полностью соблюдая строгие правила конфиденциальности (например, GDPR).
3. Гибкое развертывание за счет низкой стоимости и малого форм-фактора
Благодаря передовой технологии интеграции на одном кристалле КМОП , высокопроизводительные модули радаров миллиметрового диапазона компактны и чрезвычайно энергоэффективны (обычно потребляют около 1 Вт). Компактный размер и низкое энергопотребление облегчают развертывание крупномасштабной, энергосберегающей и распределенной сети датчиков Edge AI , что позволяет легко интегрировать их в кузова транспортных средств или инфраструктуру умного города.
Преодоление ограничений: синергия с NVIDIA Jetson
Основным ограничением стандартного радара миллиметрового диапазона традиционно является его относительно низкое угловое разрешение по сравнению с высококлассными лидарами, что затрудняет точное различие двух чрезвычайно близких объектов.
Ключом к решению этой задачи являются мощные вычислительные возможности платформ Edge AI, таких как серия NVIDIA Jetson:
Снижение влияния низкого углового разрешения: благодаря использованию сложных моделей глубокого обучения (например, PointNet++) на периферии, система может выполнять реконструкцию с высоким разрешением и семантическую сегментацию разреженных данных четырёхмерного облака точек. Это позволяет точно классифицировать объекты , различая объединённые кластеры точек.
Решение проблемы многолучевых помех: система использует возможности параллельной обработки графического процессора/DLA Jetson для выполнения сложных алгоритмов в реальном времени, таких как фильтрация Калмана и передовые методы кластеризации. Эти методы обеспечивают надежное отслеживание нескольких целей и подавление «объектов-призраков» в условиях загромождения.
Высокоскоростное слияние данных: платформа NVIDIA Jetson AGX Thor обеспечивает необходимые высокоскоростные возможности ввода-вывода и унифицированную архитектуру памяти для эффективного слияния точных данных о скорости, полученных с помощью mmWave, семантической насыщенности данных камеры и пространственной точности лидара. Это слияние обеспечивает высокоточное интеллектуальное принятие решений с малой задержкой .
Благодаря этой синергии данные радара миллиметрового диапазона быстро и точно преобразуются в понятный для машин высокосемантический интеллект на периферии, что является предпосылкой для расширенной автономности.
Подробное описание применения радаров миллиметрового диапазона в ключевых отраслях промышленности
1. Интеллектуальный транспорт и транспортные средства следующего поколения
В системах ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) радар миллиметрового диапазона 77/79 ГГц является критически важным датчиком для функций уровней L2+ и L4. Он обеспечивает дальнее обнаружение (до 200 метров) и точную оценку скорости для таких систем, как адаптивный круиз-контроль (ACC), автоматическое экстренное торможение (AEB) и мониторинг слепых зон (BSM) , гарантируя безопасность в сложных погодных условиях.
2. Здравоохранение с использованием искусственного интеллекта и бесконтактный мониторинг
Радар миллиметрового диапазона 60 ГГц меняет подход к мониторингу в здравоохранении. Он обеспечивает непрерывный бесконтактный мониторинг частоты сердечных сокращений и дыхания пациента, даже через матрасы или одеяла. Более того, он точно выявляет высокорискованное поведение, такое как падения или вставание с кровати . Этот неинвазивный подход, обеспечивающий конфиденциальность, является революционным для ухода за пожилыми людьми, мониторинга новорожденных и углубленных исследований сна .
3. Промышленная и логистическая робототехника (AMR/коботы)
На заводах, складах и в логистических центрах миллиметровый радар используется для предотвращения препятствий и точной навигации с помощью AMR. Он особенно эффективен для поддержания стабильности и надежности в условиях плотного расположения металлических стеллажей или в зонах с высокой запыленностью и задымленностью , обеспечивая эффективное взаимодействие человека и робота .
Заключение: радар миллиметрового диапазона — мост восприятия к общему ИИ
Радарные датчики миллиметрового диапазона играют жизненно важную роль, обеспечивая всепогодность, высокую надежность и конфиденциальность, необходимые для развития ИИ и робототехники на периферии . Они уникальным образом компенсируют сбои оптических датчиков и, благодаря глубокому взаимодействию с высокопроизводительными платформами периферийных вычислений, такими как NVIDIA Jetson , преобразуют данные четырёхмерного облака точек в высокоточные интеллектуальные решения в режиме реального времени .
По мере того, как технология 4D-радиолокации продолжает совершенствоваться и масштабироваться, миллиметровый радар станет не просто дополнительным датчиком, но и фундаментальным строительным блоком для построения будущих автономных систем общего назначения и высоконадежной интеллектуальной инфраструктуры .
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Что такое радар 4D-визуализации?
Радар 4D Imaging Radar — это усовершенствованное поколение радаров миллиметрового диапазона, которые одновременно выводят дальность, азимут, высоту (3D-пространство) и радиальную скорость цели, формируя облако точек высокой плотности.
Как решается проблема низкого углового разрешения в радарах миллиметрового диапазона?
Его смягчают с помощью антенных решеток MIMO (множественный вход, множественный выход) в оборудовании и путем развертывания алгоритмов глубокого обучения со сверхвысоким разрешением на мощных периферийных платформах, таких как NVIDIA Jetson .
Какова типичная задержка радара миллиметрового диапазона?
Благодаря твердотельной конструкции и интеграции обработки DSP/MCU на кристалле радар миллиметрового диапазона обеспечивает чрезвычайно низкую задержку обнаружения, обычно в диапазоне миллисекунд, что имеет решающее значение для принятия решений в режиме реального времени в автономных системах.
Каковы основные преимущества радара миллиметрового диапазона по сравнению с лидаром?
Радар миллиметрового диапазона обладает значительными преимуществами в плане проникновения в неблагоприятные погодные условия, точного измерения скорости цели, сохранения конфиденциальности и экономической эффективности при крупномасштабном развертывании .