Imec FutureSummit 2019 Intelligentes Radar zur kontaktlosen Vitalparameterüberwachung

Imec erweitert seine 140-GHzRadartechnologie um maschinelles Lernen, um intuitive Mensch-Maschine Interaktionen zu ermöglichen.

Das Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, Imec, präsentierte auf seinem FutureSummit 2019 ein kompaktes, hochempfindliches 140-GHz-MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) Radarsystem. Das MIMO-Setup wird zur Gestenerkennung demonstriert und unterstützt intuitive Mensch-Maschine Interaktionen. Darüber hinaus ermöglicht die ultrafeine Auflösung dieses Radars die Erkennung von Mikrohautbewegungen in Bezug auf Vitalparameter, die Anwendungen wie die berührungslose Fahrerüberwachung oder die Patientenüberwachung dienen.

Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale des 140-GHz-Radar-on-Chip-Prototypsystems von imec sind die geringe Größe und die hohe Radarleistung - in Bezug auf Auflösung und Bewegungsempfindlichkeit. Das Radar arbeitet bis zu einer Reichweite von 10 m, mit einer Auflösung von 15 mm und einer HF-Bandbreite von 10 GHz. Mehrere Antennenpfade sind integriert, um eine vollständige (virtuelle) 1x4 MIMO-Konfiguration zu ermöglichen, um eine Winkelzieltrennung zu erreichen. Der Transceiver-Chip verfügt über On-Chip-Antennen und ist in die 28-nm Bulk-CMOS-Technologie integriert, die eine kostengünstige Lösung bei hoher Stückzahl gewährleistet. Diese Eigenschaften machen das Radarsystem besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen eine hochpräzise, kleinbewegungsbasierte Erkennung im Vordergrund steht.

Durch das Hinzufügen von maschinellen Lernfähigkeiten hat imec nun die Machbarkeit des Radars demonstriert, kleine Bewegungen basierend auf Dopplerinformationen zu erkennen und zu klassifizieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, z.B. die Gestenerkennung für intuitive Mensch-Maschine Interaktionen. Denkbar sind AR/VR-Anwendungen, bei denen das neue Radar eine intuitive Interaktion mit virtuellen Objekten unterstützen kann. Die Gestenerkennung kann potenziell auch eine intuitive Gerätesteuerung ermöglichen - ergänzend zu bestehenden Schnittstellen wie Sprachsteuerung oder Smart Touch Screens. Unempfindlich gegen Lichtverhältnisse und unter Wahrung der Privatsphäre (ein Radar kann den Menschen bisher nicht erkennen), hat eine Radarlösung besondere Vorteile gegenüber anderen Arten von Bewegungsmeldern, wie z.B. Infrarotkameras. Und da das 140-GHz-Radarsystem von imec extrem kompakt ist, lässt es sich unsichtbar in fast jedes Gerät wie Laptops, Smartphones oder Bildschirmblenden integrieren.

Imec hat einen spezifischen maschinellen Lernalgorithmus entwickelt, der auf einem mehrschichtigen neuronalen Netzwerk mit einer LSTM-Schicht und überwachtem Lernen basiert, um das Inferenzmodell zu trainieren, indem interne Aufzeichnungen von mehr als 25 Personen verwendet werden, einschließlich mehrerer Aufnahmen für jede von 7 verschiedenen Gesten. Gegen den experimentellen Datensatz klassifiziert das Modell die aufgezeichneten 7 Gesten und prognostiziert die richtige Geste in mindestens 94% der Fälle.

Neben Gesten können dank der hohen Funkfrequenz auch Vitalparameter mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden. Daher ist das Radar ein ausgezeichneter Kandidat für fahrzeuginterne Vitalparameter-Überwachungssysteme, um den Zustand des Fahrers berührungslos zu verfolgen, z.B. um Einschlafen, abnormalen Stress oder möglicherweise Unfälle aufgrund akuter Gesundheitsgefahren, z.B. Herz- oder Epilepsieanfälle, zu erkennen. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Überwachung von Kleinkindern mit Hilfe von Bewegung und Vitalparametern, auch wenn das Kind von einer Decke bedeckt ist und schläft, z.B. um einen Alarm auszulösen, falls ein Kind unbeabsichtigt in einem Fahrzeug zurückgelassen wird.

Um die Datenfülle und die räumlichen Informationen zu erweitern, baut imec derzeit ein 4x4 MIMO-Radarsystem, für das eine neue Generation von Radarchips entwickelt wird - mit TX und RX als getrennten Chips. Dies ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Verteilung der MIMO-Array-Elemente auf die verfügbare Fläche. Es wird auch untersucht, ob die Funktionalität der eigenständigen Radarchips erhöht werden kann, um MIMO-Systeme mit noch größeren Chipsätzen zu ermöglichen.

Das 140GHz-Radar von Imec wurde im Rahmen seines innovativen F&E-Kooperationsprogramms zur Radartechnologie entwickelt. Interessierte Unternehmen können am Programm oder an einem bilateralen F&E-Projekt teilnehmen oder die Technologiebausteine lizenzieren.