【導讀】人形機器人具有自動(dòng)執行任務(wù)、做類(lèi)似人類(lèi)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。這些機器人的應用范圍廣泛，從醫療保健、人形機器人輔助患者，到工業(yè)自動(dòng)化、教育和研究，不一而足。人形機器人的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)多項挑戰，包括復制人類(lèi)的復雜動(dòng)作、實(shí)現自主決策以及創(chuàng )建能夠適應非結構化環(huán)境的系統。
從科幻走入現實(shí)，人形機器人正經(jīng)歷一場(chǎng)靜默而深刻的技術(shù)革命：更高效的能源控制、更精準的運動(dòng)算法、更高速的通信架構、更智能的環(huán)境感知能力......這些變革正在重塑機器人的“骨骼”、“神經(jīng)”與“感官”。
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人形機器人中的毫米波雷達感應和傳感器融合
人形機器人具有自動(dòng)執行任務(wù)、做類(lèi)似人類(lèi)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。這些機器人的應用范圍廣泛，從醫療保健、人形機器人輔助患者，到工業(yè)自動(dòng)化、教育和研究，不一而足。人形機器人的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)多項挑戰，包括復制人類(lèi)的復雜動(dòng)作、實(shí)現自主決策以及創(chuàng )建能夠適應非結構化環(huán)境的系統。
圖 1：現代人形機器人
傳感在人形機器人中的重要性
人形機器人的一個(gè)重要方面是探測和解讀物理環(huán)境的能力；正如人類(lèi)依靠感官進(jìn)行導航和與世界互動(dòng)一樣，人形機器人也需要復雜的傳感系統來(lái)自主有效地執行任務(wù)。人形機器人中使用的常見(jiàn)傳感器類(lèi)型包括視覺(jué)系統（攝像頭）、雷達和激光雷達（導航和感知）、觸覺(jué)傳感器（模擬觸控）以及使機器人能夠了解自身姿勢和平衡的聽(tīng)覺(jué)系統（麥克風(fēng)）。本文探討了毫米波 (mmWave) 雷達傳感器在導航、識別以及將雷達與攝像頭傳感器集成方面的優(yōu)勢，從而實(shí)現人形機器人中的傳感器融合。
毫米波雷達傳感器簡(jiǎn)介
遠距離功能、高運動(dòng)靈敏度和隱私功能使基于雷達的傳感器集成電路 (IC) 成為位置和接近傳感設計的常用技術(shù)。雷達傳感器具有高精度，在汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)中也很受歡迎，用于檢測盲點(diǎn)、碰撞、人員和運動(dòng)。
60GHz 和 77GHz 雷達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 雷達傳感器。60GHz 和 77GHz 雷達頻帶支持新的應用，例如工業(yè)機器人中的物體存在檢測以及工廠(chǎng)或家居移動(dòng)機器人應用。
圖 2：嵌入在工業(yè)機器人中的毫米波傳感器
毫米波傳感器相較于激光雷達和攝像頭的優(yōu)勢
由于雷達能夠在惡劣天氣條件下良好運行，因此通常選擇毫米波雷達技術(shù)而不是激光雷達、攝像頭和其他光學(xué)傳感器，以節省成本；攝像頭可能會(huì )受到光線(xiàn)不足和天氣的影響。雷達還具有較寬的距離和覆蓋范圍，使傳感器能夠檢測 100 米以外的物體。由于移動(dòng)機器人應用需要節省功耗，因此用戶(hù)經(jīng)常使用低至 1.7mW 的雷達進(jìn)行存在檢測。但是，在各種用例場(chǎng)景中，可使用雷達和激光雷達、攝像頭或替代光學(xué)傳感器類(lèi)型組合。
從功能安全的角度來(lái)看，TI 工程師在設計 IWR6843 等非接觸式雷達傳感器之前，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 的器件認證。所有 TI 雷達傳感器均包含內置的功能安全機制，可提供 IEC 61508 所要求的必要診斷覆蓋范圍，可在元件級別滿(mǎn)足高達安全完整性等級 (SIL) 2 的硬件功能。
可以通過(guò)診斷軟件庫、編譯器資質(zhì)審核套件、第三方操作系統、開(kāi)發(fā)工具和其他文檔在線(xiàn)獲取功能安全配套資料，從而讓工程師簡(jiǎn)化安全設計流程和系統級認證。
傳感器融合
在人形機器人中使用一種類(lèi)型的傳感器存在明顯的局限性，包括數據收集不完整或不準確。例如，攝像頭在深度感知、光線(xiàn)不足或探測非視覺(jué)元素時(shí)會(huì )遇到困難，而激光雷達傳感器則會(huì )因為機器人移動(dòng)時(shí)激光上下跳動(dòng)而導致讀數不準確。數據收集限制可能會(huì )導致導航、物體操作和環(huán)境交互方面的錯誤。
傳感器融合技術(shù)通過(guò)集成來(lái)自多個(gè)傳感器的數據，更準確、可靠和全面地了解機器人環(huán)境，從而解決這些問(wèn)題。通過(guò)結合來(lái)自各種傳感模式的輸入，人形機器人可以做出更明智的決策，從而增強執行復雜任務(wù)的能力，例如在不平坦的地形中導航、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)勢包括：
通過(guò)合并不同傳感器的數據來(lái)提高精確度。
冗余，以便在一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)確認功能正常。
通過(guò)更全面地了解周?chē)h(huán)境提高環(huán)境感知能力。
能夠更好地適應動(dòng)態(tài)環(huán)境。
雷達和攝像頭傳感器融合
雷達在惡劣條件下經(jīng)久耐用，而且在探測移動(dòng)物體時(shí)非?？煽?，因此是經(jīng)常集成到系統中的主要傳感器之一。為了彌補單一傳感器系統的不足，TI 為希望更大限度提高機器人精度和感知能力的用戶(hù)提供了各種產(chǎn)品。TI 提供攝像頭和雷達傳感器模塊以及 IMX219 攝像頭和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷達傳感器。該模塊實(shí)現了一種物體級融合方法，該方法應用了注重物體聚類(lèi)和跟蹤的攝像頭-視覺(jué)處理鏈和雷達處理鏈，使用戶(hù)能夠跟蹤和探測三維環(huán)境中的物體。用戶(hù)演示了傳感器融合在機器人 SDK 中的諸多潛能和功能。
圖 3：采用 IMX219 和 IWR6843ISK構建的攝像頭和雷達傳感器模塊
總結
本文探討了毫米波感應、安全和傳感器融合在實(shí)現精確檢測人形機器人周?chē)奈矬w和運動(dòng)方面的優(yōu)勢。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，因為在這些條件下，傳統的視覺(jué)傳感器可能不可靠。毫米波雷達成本低、功耗更低，而且能在惡劣天氣條件下工作，因此成為機器人應用的潛在選擇。
本文還介紹了功能安全和傳感器融合技術(shù)，這些技術(shù)對于人形機器人在復雜環(huán)境中的可靠運行至關(guān)重要。憑借 (TüV) SüD 內置的功能安全機制和器件安全認證，TI 雷達器件可提供 IEC 61508 所需的必要診斷覆蓋范圍，可在元件級別滿(mǎn)足高達 SIL 2 的硬件功能。將支持安全功能的雷達與激光雷達、攝像頭或其他光學(xué)傳感器相結合，有助于提高物體探測的準確性、故障冗余性、決策能力以及機器人行為的實(shí)時(shí)調整，從而提高人形機器人系統的自主性和安全性。
文章來(lái)源：德州儀器
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