אחת המגמות החשובות ביישומי טכנולוגיה מודרנית היא מכונות, הדורשות מודעות לסביבתן. תרחישי השימוש מגוונים מאוד, וכוללים מגוון רחב של שווקים – שוק הרכב, המגזר התעשייתי, שוק מוצרי הצריכה ועוד. ברור לכול, שעצמים נעים (כמו רחפנים, מכוניות, כלי רכב מונחים אוטומטית, רובוטים ביתיים וכדומה) צריכים להיות מסוגלים לזהות מכשולים וכלי רכב אחרים ולהגיב להם, ושעצמים סטטיים צריכים להיות מודעים לסביבתם. לדוגמה, בניינים משתמשים בזיהוי נוכחות כדי לשלוט על השימוש באנרגיה, והניטור של תאי נוסעים ברכב גובר מטעמי בטיחות.
חלק מכך נובע מהשאיפה לקיימות. זיהוי נוכחות של בני אדם בבניין מאפשר להשתמש בתאורה ובמשאבים אחרים רק כאשר יש בכך צורך אמיתי, חוסך אנרגיה חיונית ומפחית את עלויות התפעול. תמריץ אחר הוא נוחיות, המעוררת צורך במשימות כמו פתיחה של דלת כאשר אדם נע לקראתה.
מפעלים משלבים יותר ויותר רובוטים בשוק העבודה. שיתוף פעולה הדוק זה בין בני אדם לרובוטים מביא עימו יתרונות רבים מבחינת תפוקה, אך יוצר חששות לגבי בטיחות. אם רובוט (סטטי או נייד) מסוגל לזהות בני אדם בקרבתו, ניתן להגביל זמנית את תנועתו ולשפר את הבטיחות.
בכלי רכב, ידיעת מספר הנוסעים, מיקומם וכן גודלם ומשקלם המשוערים מאפשרת לנפח את כריות האוויר הנכונות בכוח המתאים. פעולה זו מבטיחה הפעלה יעילה שלהן בעת עצירה פתאומית ואינה פוגעת בנוסעים. ארגון Euro NCAP1 מעודד ניטור של הנוסעים ברכב – במיוחד בתחומים כמו זיהוי נוכחות של ילדים.
אחד המרכיבים החשובים ביותר בזיהוי נוכחות הוא חיישן. הטכנולוגיות הנפוצות של חיישני נוכחות כוללות המרת אור לחשמל (לדוגמה, חיישני תמונה), אינפרא-אדום פסיבי ותחום תדרי הרדיו mmWave (ממ”ג).
הבעיות בחיישני תמונה
לאור המספר הרב של חיישני התמונה הקטנים ועתירי הביצועים ברזולוציה גבוהה הזמינים כיום, נראה כי שימוש בטכנולוגיה זו לזיהוי מכשולים בסביבה הנו טבעי – לרבות נוכחות של בני אדם. לטכנולוגיה זו יש מגבלות – בעיקר הצורך בקו ראייה והעדר היכולת לזהות אדם מוסווה (כמו ילד קטן מתחת לשמיכה ברכב) – אך מבחינה טכנית הביצועים שלה יותר ממספקים.
אולם, החיסרון הגדול ביותר של חיישני תמונה טמון בחששות שהם יוצרים לגבי פרטיות. ברוב היישומים, יש צורך לזהות נוכחות של אדם כלשהו בלבד. חיישני תמונה מסוגלים לזהות את האדם הנוכח, ואחר כך לאחסן את הנתונים לצמיתות. לפיכך, כדי לספק מענה לצורך בזיהוי נוכחות ומעקב שאינם יוצרים חששות לגבי פרטיות, מתכננים מחפשים טכנולוגיות חלופיות כמו מכ”ם mmWave.
מגבלות הפתרונות הקיימים
במשך שנים, טכנולוגיית אינפרא-אדום פסיבי (PIR) הייתה שיטה פופולארית לזיהוי בני אדם ביישומים כמו תאורה אוטומטית או מערכות אזעקה. חיישן ה-PIR מזהה שינוי באנרגיית האינפרא-אדום כאשר אדם נכנס לטווח הגילוי, ובמקרה של חריגה מערך סף שנקבע מראש התאורה או האזעקה מופעלת.
לטכנולוגיית PIR יש מספר מגבלות, לרבות טווח קצר יחסית המחייב פריסה של יותר חיישנים. היא מתקשה לזהות בני אדם העומדים במקומם או נעים באיטיות רבה, ומזג האוויר עלול להפוך שימוש ב-PIR מחוץ למבנים לכמעט חסר תועלת. כמו כן, הדרישה לקו ראייה ישיר הופכת טכנולוגיה זו לפולשנית מאוד.
שימוש במכ”ם mmWave לזיהוי נוכחות מדויק
למרות שההטמעה של מכ”ם mmWave מורכבת בהרבה, הוא מציע מספר יתרונות בהשוואה לטכנולוגיית PIR. כיוון שהוא מבוסס על עקרון דופלר המוכר היטב, הוא מסוגל לזהות תנועה של עצם וכן את המהירות והכיוון שלו. כיוון שהוא אינו דורש אנרגיית אינפרה-אדום, הוא מסוגל לזהות גם עצמים דוממים. היכולת לזהות את המהירות והכיוון מאפשרת קבלת החלטות חכמות יותר. כך, לדוגמה, מכ”ם mmWave יאפשר פתיחה של דלת רק אם אדם צועד לקראתה ולא עובר לידה (איור 1).
איור 1: זיהוי תנועה וכיוון מאפשר הפעלה חכמה יותר של דלתות אוטומטיות (מקור: Texas Instruments. אויר מחדש על ידי Mouser Electroni)
טווח הפעולה של טכנולוגיית mmWave נע בין סנטימטרים בודדים למאות מטרים, תכונה המאפשרת ביישומים רבים כיסוי מלא באמצעות חיישן יחיד. טכנולוגיה זו מסוגלת לפעול גם דרך חיפויים דקים כמו לוחות גבס (קירות גבס), כך שניתן לפרוס אותה באופן לא פולשני בתוך מבנים.
תמיכה ביישומים ובתכנון
בתחום האוטומציה של מבנים, טכנולוגיית mmWave יכולה לשפר את הנוחיות והאבטחה ולהפחית את עלויות התפעול על ידי שליטה במתקנים כמו תאורה, חימום ומיזוג אוויר המבוססת על נוכחות של אנשים. כיוון שטכנולוגיית mmWave אינה לוכדת וידאו, בניגוד לחיישני תמונה, היא אינה כרוכה בחששות לגבי פרטיות וניתן להשתמש בה באזורים רגישים כמו שירותים או מלתחות.
בתחום הרכב, טכנולוגיית mmWave מתבררת כטכנולוגיה שימושית לזיהוי נוכחות בתא הנוסעים (CPD) בתוך כלי רכב. טכנולוגיה זו מסוגלת לזהות היטב בני אדם גלויים לעין ולהעריך את גודלם, ושימוש בנתונים אלה מאפשר לנפח את כריות האוויר במיקום הנדרש בלבד ובכוח המתאים כדי להבטיח את בטיחות הנוסעים.
חשיבות ה-CPD ברכב גוברת, וטכנולוגיות רבות מסוגלות לזהות נוכחות של ילד גלוי לעין שהושאר מאחור. הדיוק של טכנולוגיית mmWave מאפשר לזהות אפילו תינוקות שנותרו מתחת לשמיכה על ידי זיהוי תנועת הנשימה ו/או פעימות הלב שלהם.
יישומים ארוכי טווח וקצרי טווח של מערכות סיוע מתקדמות לנהג (ADAS) ברכב משתמשים בחיישני mmWaveTexas Instruments, המאפשרים לרכב להיות מודע לסביבתו. חיישני ה-CMOS החד-שבביים המתקדמים מקטינים את ההתקן על ידי שילוב בין מקטע ה-RF הקדמי למעבד אותות דיגיטלי (DSP) ולמיקרו-בקר (MCU), שמאפשר זיהוי של סצנות עירוניות מורכבות ומשתמשים אחרים בדרך.
טכנולוגיה זו חשובה גם ביישומים תעשייתיים, בהם היא משמשת לזיהוי נוכחות ומפלסי נוזלים וכן לצורכי הכוונה של רובוטים ורחפנים במחסנים (איור 2).
איור 2: לטכנולוגיית mmWave מספר יישומים במגזר התעשייתי (מקור: Mouser Electronics)
למרות שייתכן כי מתכננים מסוימים אינם מכירים טכנולוגיה זו, קיימים מספר כלים זמינים שמטרתם להקל על תהליך התכנון. מודול חיישן זיהוי הנוכחות MM5D91-00 של Jorjin Technologies Inc. מבוסס על טכנולוגיית mmWave של 60GHz. התקן נוח זה מצויד באנטנת שידור אחת, בשלוש אנטנות קליטה ובמערכת מעבד עוצמתית מסוג ARM® Cortex®-M4F.
זיהוי מחוות
בדומה לטכנולוגיות חדשניות רבות, מכ”ם mmWave פותח הזדמנויות ליישומים חדשים. כך, לדוגמה, זיהוי מחוות מחליף לוחות בקרה פיזיים בממשקים וירטואליים בין אדם למכונה (HMI). ביישום זה, אדם יכול לספק למערכת קלט על ידי הנחת יד מול החיישן והזזה שלה בתבניות מוגדרות מראש. הפעולות הרלוונטיות אינטואיטיביות לרוב, וכוללות כף יד פתוחה לציון ‘עצירה’ או סיבוב של היד כדי להזיז חוגה וירטואלית ולהגדיל או להקטין פרמטר כמו עוצמת קול.
זיהוי מחוות מציע מספר יתרונות, בהתאם למיקום ולאופן השימוש בו. ביישומי רכב, היתרונות העיקריים של טכנולוגיה זו הם בטיחות ונוחיות – הנהגים אינם צריכים לאתר לחצן קטן במהלך הנהיגה ויכולים להמשיך להתבונן בכביש. בהעדר מגע בין האדם ל-HMI, ממשק זה גם היגייני יותר – יתרון ביישומי בריאות וקייטרינג, בין השאר.
המספר הגדל והולך של התקני זיהוי מחוות קטנים שנכנסים לשוק מסייע למתכננים גם לצמצם את המקום הנתפס על ידי לחצנים וחוגות פיזיים של ממשקי HMI. כשמוסיפים להתקן פונקציות על ידי עדכון, ניתן להוסיף לו גם מחוות חדשות כדי להשלים את החסר.
השוק של טכנולוגיה זו חדש יחסית (לפי הערכה של חברת Global Market Insights2, שווי שוק זיהוי המחוות לשנת 2022 בענף הרכב בלבד הוא 644 מיליון דולר). התחזית ל-CAGR של 18.2% צופה אימוץ של הטכנולוגיה, הכרה בערכה וערך שוק של 3.25 מיליארד דולר עד לשנת 2032.
סיכום
מרק פטריק, Mouser Electronics קרדיט: Mouser Electronics
מודעות לסביבה חיונית כדי לאפשר למכונות חופש פעולה נוסף לנוע או לזהות סכנות מתקרבות. אומנם ניתן להשתמש בחיישני תמונה לשם כך, אך רבים חוששים מסוגיות הנוגעות לפרטיות כיוון שניתן לזהות בני אדם ולעקוב אחריהם.
טכנולוגיות חלופיות, כמו מכ”ם mmWave, עשויות לספק את המודעות הנדרשת למצב ולמנוע בעיות הקשורות לפרטיות, כיוון שהן אינן מתעדות תמונות של פנים. למעשה, בניגוד לחיישני תמונה רבים, מכ”ם mmWave של 60GHz יכול לפעול במרחקים הקצרים מ-100 מ’ ובתנאי מזג אוויר גרועים, מה שהופך אותו לפתרון המועדף על מתכננים רבים.
