Texas Instrument社が促進するミリ波技術で実現するドローンの感知・回避機能

2017-10-02 掲載
Texas Instrument(以下:TI)ミリ波による衝突回避ソリューションの構造

ドローンを使用することで天気予報や宅配、3Dマッピングなどの民生アプリケーションにおいて大きな恩恵を得られる一方、ドローン業界は「安全な飛行」と「低価格化」という2つの課題に直面している。現在市場に流通しているドローンの多くは、感知/回避(SAA)技術を搭載しておらず、近くの人や自動車を危険にさらす可能性がある。そのため米国連邦航空局(FAA)は、業務でドローンを飛行させる場合、目視可能な範囲で飛行させ、人や走行する車の上を飛行させないことを定めたUAS(無人航空機システム)規則の遵守を求めている。

現在市場に流通しているほとんどの衝突回避システムは、3つに区分される。

1:ビジョン式
2:超音波式
3:赤外線またはレーザ式

ビジョン式衝突回避システムは近距離の対象物を正確に特定できるが、その性能は天候や光条件に左右される。超音波式衝突回避システムは最も低コストだが、感知領域に限りがある。赤外線またはレーザ衝突回避システムは感知領域が長距離だが、天候や光に影響されやすく高コストとなる。このため現在市場に流通している多くのドローンは、2つのカメラで障害物を感知するビジョン式衝突回避システムを採用してる。

最近、ドローン業界ではレーダ・アプリケーションに大きな注目が集まっている。レーダは電波を用いて対象の距離や角度、速度を測定する。レーダ技術は80年にわたり軍用アプリケーションとして幅広く使用されてきたが、高額でサイズが大きく電力を多く消費することから、現在民生用では自動車安全装置と天気予報向けアプリケーションでのみ採用されている。しかし、近年の急速なIC技術の進歩から従来のレーダ・システムを小型チップに組み込めるようになり、ドローン向けのレーダ式SAAソリューションを実現する道が開かれてきた。

Texas Instrument社の76-81 GHzミリ波レーダは、既存の24GHzレーダに比べて広帯域幅を持ち、高周波数で動作することから、レンジおよび速度分解能の提供が可能。また、MCU(マイクロコントローラ・ユニット)とDSP(TIデジタル・シグナル・プロセッサ)を統合し、レーダ・システムのサイズの小型化が可能となる。従来、市場に流通する多くのミリ波チップはレーダ・トランスミッタとレシーバのみを統合していたため、開発者はA/DコンバータやDSPなどのコンポーネントを追加する必要があり、レーダ・システムのコスト増と大型化に頭を悩ませていたという。

IWR1642搭載ドローン

TIのシングルチップ・ミリ波センサ「IWR1642」は、2つのトランスミッタと4つのレシーバ・アンテナ、4チャネルの高速A/Dコンバータを搭載している。またコントローラ・エリア・ネットワーク(CAN)、CAN FD(フレキシブル・データ・レート)、UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter)データ出力インタフェースも搭載しており、データ処理には「ARM Cortex-R4F」と「TI C674x DSP」を使用している。

統合されたRFとプロセッサのパッケージは、ドローン向け衝突回避センシング・ソリューションに小型なコアを提供する。「C674xDSP」プロセッサは、複数対象物の距離、方位角、速度情報を計算する信号処理アルゴリズムを実行するのに十分な処理能力を備える一方、ARMコアはチップのコンフィギュレーションと出力データのフォーマットの処理を担っている。

ドローンのシステム・レベルでは「IWR1642」によってドローンの周辺環境を感知する特別なミリ波センシング機能を提供し、ここで処理された情報はフライト・コントローラ(柔軟なインタフェースとプログララマブルI/O、SoC FPGA搭載ARMハイブリッド・プロセシング・アーキテクチャを搭載するOcPoCフライト・コントローラなど)に送信され、回避コマンドを計算、実行する。

IWR1642に搭載されたこの統合演算能力により、センサとフライト・コントローラ間のデータ・レートを低減し、通信を簡素化できる。それにより、設計者は感知/回避タスクを切り離し、ドローン・システムに2つの機能ユニットとして分散させる。

小型フライト・コントローラは、感知機能を扱うIWR1642と調和して機能することで、衝突回避処理の実行が可能。IWR1642ミリ波センサを最大限活用するには、多くの統合および開発プロセスが必要だが、この感知/回避ソリューションを使用することでそのプロセスを削減可能。FAAでは目視可能な範囲でUAVを飛行させる規制を課しているが、安全に飛行できる衝突回避機能を搭載した特定のUAVは、状況によって見通し線外の状況における飛行を許可する場合があるとしており、TIのミリ波技術により実現する衝突回避ソリューションは、このニーズにも対応可能。規制団体や業界と緊密に協力していくことで、将来、現在の規制は不要になるかもしれない。

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