人形機(jī)器人中的毫米波雷達(dá)感應(yīng)和傳感器融合

人形機(jī)器人具有自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)、做類似人類的動(dòng)作和參與社交互動(dòng)，因此在各行各業(yè)都備受關(guān)注。這些機(jī)器人的應(yīng)用范圍廣泛，從醫(yī)療保健、人形機(jī)器人輔助患者，到工業(yè)自動(dòng)化、教育和研究，不一而足。人形機(jī)器人的開(kāi)發(fā) 面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括復(fù)制人類的復(fù)雜動(dòng)作、實(shí)現(xiàn)自主決策以及創(chuàng)建能夠適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的系統(tǒng)。

圖1 現(xiàn)代人形機(jī)器人

傳感在人形機(jī)器人中的重要性

人形機(jī)器人的一個(gè)重要方面是探測(cè)和解讀物理環(huán)境的能力；正如人類依靠感官進(jìn)行導(dǎo)航和與世界互動(dòng)一樣，人形機(jī)器人也需要復(fù)雜的傳感系統(tǒng)來(lái)自主有效地執(zhí)行任務(wù)。人形機(jī)器人中使用的常見(jiàn)傳感器類型包括視覺(jué)系統(tǒng)（攝像頭）、雷達(dá)和激光雷達(dá)（導(dǎo)航和感知）、觸覺(jué)傳感器（模擬觸控）以及使機(jī)器人能夠了解自身姿勢(shì)和平衡的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（麥克風(fēng)）。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)探討了毫米波 (mmWave) 雷達(dá)傳感器在導(dǎo)航、識(shí)別以及將雷達(dá)與攝像頭傳感器集成方面的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人中的傳感器融合。

毫米波雷達(dá)傳感器簡(jiǎn)介

遠(yuǎn)距離功能、高運(yùn)動(dòng)靈敏度和隱私功能使基于雷達(dá)的傳感器集成電路 (IC) 成為位置和接近傳感設(shè)計(jì)的常用技術(shù)。雷達(dá)傳感器具有高精度，在汽車和工業(yè)市場(chǎng)中也很受歡迎，用于檢測(cè)盲點(diǎn)、碰撞、人員和運(yùn)動(dòng)。

60GHz 和 77GHz 雷達(dá)傳感器具有更高的分辨率、更高的精度和更小的外形尺寸，正在取代 24GHz 雷達(dá)傳感器。60GHz 和 77GHz 雷達(dá)頻帶支持新的應(yīng)用，例如工業(yè)機(jī)器人中的物體存在檢測(cè)以及工廠或家居移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用。

圖2 嵌入在工業(yè)機(jī)器人中的毫米波傳感器

毫米波傳感器相較于激光雷達(dá)和攝像頭的優(yōu)勢(shì)

由于雷達(dá)能夠在惡劣天氣條件下良好運(yùn)行，因此通常選擇毫米波雷達(dá)技術(shù)而不是激光雷達(dá)、攝像頭和其他光學(xué)傳感器，以節(jié)省成本；攝像頭可能會(huì)受到光線不足和天氣的影響。雷達(dá)還具有較寬的距離和覆蓋范圍，使傳感器能夠檢測(cè) 100 米以外的物體。由于移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用需要節(jié)省功耗，因此用戶經(jīng)常使用低至 1.7mW 的雷達(dá)進(jìn)行存在檢測(cè)。但是，在各種用例場(chǎng)景中，可使用雷達(dá)和激光雷達(dá)、攝像頭或替代光學(xué)傳感器類型組合。

從功能安全的角度來(lái)看，TI 工程師在設(shè)計(jì) IWR6843 等非接觸式雷達(dá)傳感器之前，已進(jìn)行了大量的硬件和軟件開(kāi)發(fā)工作，并獲得了 (TüV) SüD 的器件認(rèn)證。所有 TI 雷達(dá)傳感器均包含內(nèi)置的功能安全機(jī)制，可提供 IEC 61508 所要求的必要診斷覆蓋范圍，可在元件級(jí)別滿足高達(dá)安全完整性等級(jí) (SIL) 2 的硬件功能。

可以通過(guò)診斷軟件庫(kù)、編譯器資質(zhì)審核套件、第三方操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具和其他文檔在線獲取功能安全配套資料，從而讓工程師簡(jiǎn)化安全設(shè)計(jì)流程和系統(tǒng)級(jí)認(rèn)證。

傳感器融合

在人形機(jī)器人中使用一種類型的傳感器存在明顯的局限性，包括數(shù)據(jù)收集不完整或不準(zhǔn)確。例如，攝像頭在深度感知、光線不足或探測(cè)非視覺(jué)元素時(shí)會(huì)遇到困難，而激光雷達(dá)傳感器則會(huì)因?yàn)闄C(jī)器人移動(dòng)時(shí)激光上下跳動(dòng)而導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)收集限制可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航、物體操作和環(huán)境交互方面的錯(cuò)誤。

傳感器融合技術(shù)通過(guò)集成來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確、可靠和全面地了解機(jī)器人環(huán)境，從而解決這些問(wèn)題。通過(guò)結(jié)合來(lái)自各種傳感模式的輸入，人形機(jī)器人可以做出更明智的決策，從而增強(qiáng)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力，例如在不平坦的地形中導(dǎo)航、抓取不同形狀和大小的物體，以及在動(dòng)態(tài)的真實(shí)世界環(huán)境中進(jìn)行交互。傳感器融合的優(yōu)勢(shì)包括：

1.通過(guò)合并不同傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)提高精確度。

2.冗余，以便在一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)確認(rèn)功能正常。

3.通過(guò)更全面地了解周圍環(huán)境提高環(huán)境感知能力。

4.能夠更好地適應(yīng) 動(dòng)態(tài)環(huán)境。

雷達(dá)和攝像頭傳感器融合

雷達(dá)在惡劣條件下經(jīng)久耐用，而且在探測(cè)移動(dòng)物體時(shí)非常可靠，因此是經(jīng)常集成到系統(tǒng)中的主要傳感器之一。為了彌補(bǔ)單一傳感器系統(tǒng)的不足，TI 為希望更大限度提高機(jī)器人精度和感知能力的用戶提供了各種產(chǎn)品。TI 提供攝像頭和雷達(dá)傳感器模塊以及 IMX219 攝像頭和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷達(dá)傳感器。該模塊實(shí)現(xiàn)了一種物體級(jí)融合方法，該方法應(yīng)用了注重物體聚類和跟蹤的攝像頭-視覺(jué)處理鏈和雷達(dá)處理鏈，使用戶能夠跟蹤和探測(cè)三維環(huán)境中的物體。用戶演示了傳感器融合在機(jī)器人 SDK 中的諸多潛能和功能。

圖3 采用 IMX219和 IWR6843ISK構(gòu)建的攝像頭和雷達(dá)傳感器模塊

總結(jié)

本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)探討了毫米波感應(yīng)、安全和傳感器融合在實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)人形機(jī)器人周圍的物體和運(yùn)動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)。毫米波傳感技術(shù)在昏暗或灰塵等低能見(jiàn)度條件下尤為重要，因?yàn)樵谶@些條件下，傳統(tǒng)的視覺(jué)傳感器可能不可靠。毫米波雷達(dá)成本低、功耗更低，而且能在惡劣天氣條件下工作，因此成為機(jī)器人應(yīng)用的潛在選擇。

本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)還介紹了功能安全和傳感器融合技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)于人形機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。憑借 (TüV) SüD 內(nèi)置的功能安全機(jī)制和器件安全認(rèn)證，TI 雷達(dá)器件可提供 IEC 61508 所需的必要診斷覆蓋范圍，可在元件級(jí)別滿足高達(dá) SIL 2 的硬件功能。將支持安全功能的雷達(dá)與激光雷達(dá)、攝像頭或其他光學(xué)傳感器相結(jié)合，有助于提高物體探測(cè)的準(zhǔn)確性、故障冗余性、決策能力以及機(jī)器人行為的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而提高人形機(jī)器人系統(tǒng)的自主性和安全性。