機(jī)器人應(yīng)用中的毫米波雷達(dá)傳感器

當(dāng)腦海中浮現(xiàn)機(jī)器人的形象時(shí)，您可能會(huì)聯(lián)想到巨大的機(jī)械手臂，工廠車間里盤繞的隨處可見的線圈和線束，以及四處飛濺的焊接火花。這些機(jī)器人與大眾文化和科幻小說中描繪的機(jī)器人大不相同，在后者中，機(jī)器人常以人們?nèi)粘Ｉ钪值男蜗笫救恕?/p>本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202005/413425.htm

如今，人工智能技術(shù)的突破正在推動(dòng)服務(wù)型機(jī)器人、無人飛行器和自主駕駛車輛的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2016 年的310 億美元增加到2020 年的2370 億美元^[1]。

隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，互補(bǔ)傳感器技術(shù)也在進(jìn)步。就像人類的五官感覺一樣，通過將不同的傳感技術(shù)結(jié)合起來，可在將機(jī)器人系統(tǒng)部署到不斷變化、不受控制的環(huán)境中時(shí)取得最佳效果?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 毫米波(mmWave) 雷達(dá)傳感器是機(jī)器人感知方面一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。

介紹

圖 1.現(xiàn)代建筑廣泛使用玻璃表面。

機(jī)器人傳感器技術(shù)

機(jī)器人傳感器技術(shù)包括力和扭矩傳感器、觸摸傳感器、一維/二維紅外(IR) 測(cè)距儀、三維飛行時(shí)間激光雷達(dá)傳感器、攝像機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)、GPS 等。CMOS 毫米波雷達(dá)傳感器可精確測(cè)量其視野范圍內(nèi)物體的距離以及任何障礙物的相對(duì)速度。這些感應(yīng)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1 所示。

與基于視覺和激光雷達(dá)的傳感器相比，毫米波傳感 器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是不受雨、塵、煙、霧或霜等環(huán) 境條件影響。此外，毫米波傳感器可在完全黑暗中 或在陽光直射下工作。這些傳感器可直接安裝在無 外透鏡、通風(fēng)口或傳感器表面的塑料外殼后，非常 堅(jiān)固耐用，能滿足防護(hù)等級(jí) (IP) 69K 標(biāo)準(zhǔn)。此外， TI 的毫米波傳感器的體積小、重量輕，生產(chǎn)設(shè)計(jì) 體積是微型激光測(cè)距儀的三分之一，重量是其一半^[2]。

傳感器	毫米波	攝像機(jī)	激光雷達(dá)	超聲波
圖片
檢測(cè)范圍	長	中	長	短接
檢測(cè)角度	窄、寬		窄、寬	寬
距離分辨率	好		好
可檢測(cè)信息	速度、距離、角度	目標(biāo)分類	速度、距離、角度	范圍
惡劣天氣	好	差
夜間作業(yè)	有	無
檢測(cè)性能	強(qiáng)大、穩(wěn)定	計(jì)算物坐標(biāo)復(fù)雜	天氣惡劣時(shí)性能差	短程應(yīng)用

表1.傳感器技術(shù)比較。

檢測(cè)玻璃墻

圖 1 說明了玻璃墻和隔墻在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用， 而服務(wù)型機(jī)器人（例如真空吸塵或拖地機(jī)器人）需 要感知這些表面以防止碰撞。 事實(shí)證明，使用攝 像機(jī)和紅外傳感器很難檢測(cè)這些元素。但毫米波傳 感器可檢測(cè)到玻璃墻的存在及其后面的物體。

為演示這一功能，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，對(duì) 80c m 遠(yuǎn)處的一塊玻璃使用德州儀器 (TI) IWR1443BOOST 毫 米波傳感器評(píng)估模塊 (EVM)。 然后，我們?cè)诓ＡШ竺?140cm 處的位置放置了一 個(gè)墻板，如圖 2 所示。

在毫米波演示可視化工具中使用 EVM 隨附的演示軟 件和可視化工具，圖 3 中顯示的結(jié)果明確證明了毫 米波傳感器可檢測(cè)玻璃墻面及其背后的墻板。

圖 2.設(shè)置用于檢測(cè)玻璃墻的測(cè)試。

使用毫米波傳感器測(cè)量對(duì)地速度

精確的里程計(jì)信息對(duì)于機(jī)器人平臺(tái)的自主移動(dòng)必不可少。

可通過測(cè)量機(jī)器人平臺(tái)上車輪或皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)來獲得此信息。然而，如果車輪在松散礫石、泥地或濕地等表 面上打滑時(shí)，這種低成本方法顯然無法輕松湊效。更先進(jìn)的系統(tǒng)可通過增加一個(gè) IMU（有時(shí)通過 GPS 增強(qiáng)）來確保里程計(jì)非常精確。毫米波感器可通 過向地面發(fā)送線性調(diào)頻信號(hào)并測(cè)量返回信號(hào)的多普 勒頻移，為穿越不平坦的地形或底盤俯仰和偏航情況較多的機(jī)器人提供額外的里程計(jì)信息。

圖 3.顯示玻璃板和墻板檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 顯示了對(duì)地速度毫米波雷達(dá)傳感器在機(jī)器人平臺(tái)上的潛在配置。是將雷達(dá)指向平臺(tái)前（如圖所示）還是指向平臺(tái)后（農(nóng)用車輛的標(biāo)準(zhǔn)做法）需進(jìn)行權(quán)衡。如果指向平臺(tái)前，則也可使用同一毫米波傳感器來檢測(cè)表面邊緣，避免不可恢復(fù)的平臺(tái)損失，如從倉庫裝運(yùn)臺(tái)上跌落。如果指向平臺(tái)后，則可將傳感器安裝在平臺(tái)的重心點(diǎn)上，盡量減少俯仰和偏航對(duì)測(cè)量的影響，這在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中是一個(gè)大問題。

圖 4.機(jī)器人平臺(tái)上的對(duì)地速度雷達(dá)配置。

方程 1 計(jì)算均勻理想條件下的速度：

f = ( 2V / λ ) * cos θ   fd   (1) 

其中 V 是車輛的速度，λ是發(fā)射信號(hào)的波長，θ是天線俯角，而 f_d 是多普勒頻率（單位：Hz）。 

擴(kuò)展方程 1 能夠補(bǔ)償變量（例如，導(dǎo)致傳感器俯仰、偏航和翻滾的非均勻地形）的速度測(cè)量誤差，并引入轉(zhuǎn)動(dòng)速度分量。這些計(jì)算超出了本文的范圍， 但一般可在文獻(xiàn)中找到它們。^[3]

圖 6.帶有物理安全籠的機(jī)械臂。 

傳感器使虛擬安全幕或氣泡能夠?qū)C(jī)器人操作與非計(jì)劃的人類交互分開，同時(shí)避免機(jī)器人與機(jī)器人發(fā)生由于密度和操作可編程性增加而導(dǎo)致的碰撞?；谝曈X的安全系統(tǒng)需要受控制的照明，這會(huì)增加能耗、產(chǎn)生熱量且需要維護(hù)。在塵土飛揚(yáng)的制造環(huán)境 （如紡織或地毯編織）中，需要經(jīng)常清潔和注意透鏡。 

由于毫米波傳感器非常強(qiáng)大，無論車間的照明、濕度、煙霧和灰塵情況如何，都可檢測(cè)物體，因此它們非常適合取代視覺系統(tǒng)， 并且可以極低的處理延遲（通常少于 2ms）下提供這種檢測(cè)。由于這些傳感器視野寬闊且探測(cè)距離較長，將其安裝在工作區(qū)域上方可簡化安裝過程。只使用一個(gè)毫米波傳感器即可檢測(cè)多個(gè)物體或人員， 減少所需傳感器數(shù)量并降低成本。 

圖 7.TI IWR 毫米波傳感器處理鏈。 

毫米波傳感器生成的點(diǎn)云信息

毫米波雷達(dá)傳感器可通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將射頻 (RF) 前端模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示形式。這種數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)需要高速外部數(shù)據(jù)總線，以將數(shù)據(jù)流引入處理鏈，然后經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)在傳感器視野范圍內(nèi)檢測(cè)到的點(diǎn)生成距離、速度和角度信息。   由于這些系統(tǒng)通常規(guī)模較大且成本高昂，因此 TI 試圖將所有這些功能集成到一個(gè)單片CMOS 器件上， 以減小尺寸，降低成本和功耗。額外的數(shù)字處理資源 現(xiàn)可進(jìn)行聚合、跟蹤和分類等任務(wù)的數(shù)據(jù)后處理，如圖 7 所示。 

（轉(zhuǎn)下頁）