如今，人工智能技術的突破正在推動服務型機器人、無人飛行器和自主駕駛車輛的機器人技術發展，市場規模預計將從 2016 年的 310 億美元增加到 2020 年的 2370 億美元[1]。

 

隨著機器人技術的進步

，互補傳感器技術也在進步。就像人類的五官感覺一樣
，通過將不同的傳感技術結合起來
，可在將機器人係統部署到不斷變化
、不受控製的環境中時取得最佳效果。互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 毫米波 (mmWave) 雷達傳感器是機器人感知方麵一項相對較新的技術。 

 

機器人傳感器技術

 

機器人傳感器技術包括力和扭矩傳感器、觸摸傳感器
、一維/二維紅外 (IR) 測距儀、三維飛行時間激光雷達傳感器
、攝像機
、慣性測量單元 (IMU)、GPS 等。CMOS 毫米波雷達傳感器可精確測量其視野範圍內物體的距離以及任何障礙物的相對速度。這些感應技術各有優缺點
，如表 1 所示。 

 

表 1.傳感器技術比較。 

 

與基於視覺和激光雷達的傳感器相比
，毫米波傳感 器的一個重要優勢是不受雨、塵
、煙、霧或霜等環 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、通風口或傳感器表麵的塑料外殼後
，非常 堅固耐用，能滿足防護等級 (IP) 69K 標準。此外


， TI 的毫米波傳感器的體積小、重量輕，生產設計體積是微型激光測距儀的三分之一，重量是其一半[2]。

 

檢測玻璃牆

 

圖 1 說明了玻璃牆和隔牆在現代建築中的應用

， 而服務型機器人（例如真空吸塵或拖地機器人）需要感知這些表麵以防止碰撞。 事實證明
，使用攝像機和紅外傳感器很難檢測這些元素。但毫米波傳感器可檢測到玻璃牆的存在及其後麵的物體。

 

圖 1.現代建築廣泛使用玻璃表麵。

 

為演示這一功能，我們設置了一個簡單的實驗
，對 80c m 遠處的一塊玻璃使用德州儀器 (TI) IWR1443BOOST 毫米波傳感器評估模塊 (EVM)。

 

然後，我們在玻璃後麵 140cm 處的位置放置了一個牆板，如圖 2 所示。

 

圖 2.設置用於檢測玻璃牆的測試。

 

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 中顯示的結果明確證明了毫米波傳感器可檢測玻璃牆麵及其背後的牆板。

 

圖 3.顯示玻璃板和牆板檢測的試驗結果。

 

使用毫米波傳感器測量對地速度

 

精確的裏程計信息對於機器人平台的自主移動必不可少。

 

可通過測量機器人平台上車輪或皮帶的轉動來獲得此信息。然而，如果車輪在鬆散礫石
、泥地或濕地等表麵上打滑時，這種低成本方法顯然無法輕鬆湊效。

 

更先進的係統可通過增加一個 IMU（有時通過 GPS 增強）來確保裏程計非常精確。毫米波傳感器可通過向地麵發送線性調頻信號並測量返回信號的多普勒頻移
，

 

為穿越不平坦的地形或底盤俯仰和偏航情況較多的機器人提供額外的裏程計信息。圖 4 顯示了對地速度毫米波雷達傳感器在機器人平台上的潛在配置。 是 將雷達指向平台前（如圖所示）還是指向平台後（農用車輛的標準做法）需xu進jin行xing權quan衡heng。如ru果guo指zhi向xiang平ping台tai前qian，則ze也ye可ke使shi用yong同tong一yi毫hao米mi波bo傳chuan感gan器qi來lai檢jian測ce表biao麵mian邊bian緣yuan
，避bi免mian不bu可ke恢hui複fu的de平ping台tai損sun失shi，如ru從cong倉cang庫ku裝zhuang運yun台tai上shang跌die落luo。如ru果guo指zhi向xiang平ping台tai後hou，則ze可ke將jiang傳chuan感gan器qi安an裝zhuang在zai平ping台tai的de重zhong心xin點dian上shang
，盡jin量liang減jian少shao俯fu仰yang和he偏pian航hang對dui測ce量liang的de影ying響xiang，這zhe在zai農nong業ye應ying用yong中zhong是shi一yi個ge大da問wen題ti。

 

機械臂周圍的安全防護裝置

 

隨著機器人在服務能力或在靈活的低批量處理自動化任務中與人類發生更多的交互，必須確保它們不會對與之交互的人造成傷害
，如圖 5 所示。

 

圖 5.未來的機器人將與人類有更多的交互。

 

在過去，常用方法是在機器人的工作區域周圍打造一個安全屏障或排除區域，確保物理隔離
，如圖 6 所示。

 

圖 4.機器人平台上的對地速度雷達配置。

 

方程 1 計算均勻理想條件下的速度：

 

 

其中 V 是車輛的速度，是發射信號的波長
，  是天線俯角，而 fd 是多普勒頻率（單位：Hz）。

 

擴展方程 1 能夠補償變量（例如
，導致傳感器俯仰、偏航和翻滾的非均勻地形）的速度測量誤差，

 

並引入轉動速度分量。這些計算超出了本文的範圍
， 但一般可在文獻中找到它們。[3]

  

圖 6.帶有物理安全籠的機械臂。

 

傳(chuan)感(gan)器(qi)使(shi)虛(xu)擬(ni)安(an)全(quan)幕(mu)或(huo)氣(qi)泡(pao)能(neng)夠(gou)將(jiang)機(ji)器(qi)人(ren)操(cao)作(zuo)與(yu)非(fei)計(ji)劃(hua)的(de)人(ren)類(lei)交(jiao)互(hu)分(fen)開(kai)，同(tong)時(shi)避(bi)免(mian)機(ji)器(qi)人(ren)與(yu)機(ji)器(qi)人(ren)發(fa)生(sheng)由(you)於(yu)密(mi)度(du)和(he)操(cao)作(zuo)可(ke)編(bian)程(cheng)性(xing)增(zeng)加(jia)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)碰(peng)撞(zhuang)。基(ji)於(yu)視(shi)覺(jiao)的(de)安(an)全(quan)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)受(shou)控(kong)製(zhi)的(de)照(zhao)明(ming)，這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)能(neng)耗(hao)

、產生熱量且需要維護。在塵土飛揚的製造環境（如紡織或地毯編織）中
，需要經常清潔和注意透鏡。 

 

圖 7.TI IWR 毫米波傳感器處理鏈。

 

由於毫米波傳感器非常強大
，無論車間的照明、濕度、煙霧和灰塵情況如何，都可檢測物體，因此它們非常適合取代視覺係統
， 並且可以極低的處理延遲（通常少於 2ms）下xia提ti供gong這zhe種zhong檢jian測ce。由you於yu這zhe些xie傳chuan感gan器qi視shi野ye寬kuan闊kuo且qie探tan測ce距ju離li較jiao長chang
，將jiang其qi安an裝zhuang在zai工gong作zuo區qu域yu上shang方fang可ke簡jian化hua安an裝zhuang過guo程cheng。隻zhi使shi用yong一yi個ge毫hao米mi波bo傳chuan感gan器qi即ji可ke檢jian測ce多duo個ge物wu體ti或huo人ren員yuan， 減少所需傳感器數量並降低成本。

 

毫米波傳感器生成的點雲信息

 

毫米波雷達傳感器可通過模數轉換器將射頻 (RF) 前qian端duan模mo擬ni數shu據ju轉zhuan換huan為wei數shu字zi表biao示shi形xing式shi。這zhe種zhong數shu字zi轉zhuan換huan的de數shu據ju需xu要yao高gao速su外wai部bu數shu據ju總zong線xian，以yi將jiang數shu據ju流liu引yin入ru處chu理li鏈lian
，然ran後hou經jing過guo一yi係xi列lie數shu學xue運yun算suan對dui在zai傳chuan感gan器qi視shi野ye範fan圍wei內nei檢jian測ce到dao的de點dian生sheng成cheng距ju離li

、速度和角度信息。   由於這些係統通常規模較大且成本高昂，因此 TI 試圖將所有這些功能集成到一個單片CMOS 器件上，

 

以減小尺寸，降低成本和功耗。額外的數字處理資源 現可進行聚合
、跟蹤和分類等任務的數據後處理
，如圖 7 所示。

 

走在毫米波傳感器前麵的人會產生多個反射點。可在常用的機器人操作係統可視化 (RVIZ) 工具中
， 將檢測到的所有點映射到相對於傳感器的三維區域中（如下一頁的圖 8 所示）。此(ci)映(ying)射(she)會(hui)收(shou)集(ji)四(si)分(fen)之(zhi)一(yi)秒(miao)內(nei)的(de)所(suo)有(you)點(dian)。收(shou)集(ji)到(dao)的(de)點(dian)信(xin)息(xi)密(mi)度(du)可(ke)提(ti)供(gong)高(gao)保(bao)真(zhen)度(du)
，可(ke)清(qing)晰(xi)看(kan)到(dao)腿(tui)和(he)手(shou)臂(bi)的(de)運(yun)動(dong)，因(yin)此(ci)物(wu)體(ti)分(fen)類(lei)算(suan)法(fa)會(hui)將(jiang)其(qi)歸(gui)類(lei)為(wei)一(yi)個(ge)移(yi)動(dong)的(de)人(ren)。三(san)維(wei)區(qu)域(yu)中(zhong)開(kai)放(fang)空(kong)間(jian)的(de)清(qing)晰(xi)性(xing)對(dui)於(yu)移(yi)動(dong)機(ji)器(qi)人(ren)來(lai)說(shuo)也(ye)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)數(shu)據(ju)，可(ke)確(que)保(bao)它(ta)們(men)能(neng)夠(gou)自(zi)主(zhu)操(cao)作(zuo)。

 

使用毫米波傳感器映射和導航

 

使用 IWR1443BOOST EVM 檢測到的物體點信息， 然後就可以演示如何使用毫米波雷達作為唯一 的傳感器精確地映射房間內的障礙物並在標識的自由空間內進行 自主操作。存在幾個機器人開 源社區，包括 Robot OS (ROS) 和 Arduino。為了快速演示如何在映射和導航應用中使用毫米波雷達，我們使用 OctoMap 和 move_base 庫將點雲信息集成到導航堆棧中，如圖 10 所示。

 

圖 8.RVIZ 中顯示的由 IWR1443BOOST EVM 捕捉的人體點雲。

 

我們在內部辦公環境中設置障礙並使 Turtlebot 2 通過該區域，使用 OctoMap 庫建立一個三維柵格地圖。下一頁的圖 11  是使用 RVIZ 的柵格屏幕截圖。

 

我們使用從 OctoMap 和 move_base 生成的地圖， 輸入最終目的地和姿勢位置，如下一頁的圖 12

 

屏幕截圖中的綠色箭頭所示。Turtlebot 2 成功高效地導航到了 選定的位置，然後旋轉到適當的姿勢
，避開其路線中靜態和動態障礙物。這證明了使用一個麵向未來的毫米波傳感器快速在 ROS 環境中進行基本自主機器人導航的效果。

 

圖 9.IWR144 3 BOOST

 

安裝在 Turtle bot 2 上的 EV M。

  

結論

 

毫米波傳感器最初非常昂貴且尺寸較大


，並需要多個分立組件。然而
，由於現在 TI 將射頻、處理和內存資源集成到一個單片 CMOS 芯片上，可以說通過對 EVM 實現基本驅動程序 (ti_mmwave_rospkg)，毫米波傳感器將補充或取代已確立的機器人傳感技術。

 

圖 10.與配備有 IWR1443BOOST 的 Turtlebot 2 配合使用的 ROS 庫導航堆棧。

  

圖 11.使用 OctoMap 庫在 ROS 中生成柵格地圖。

 

圖 12.使用 IWR1443BOOST EVM 柵格地圖和 ROS mo ve_base 庫，使 Turtlebot 2 進行自主導航

 

毫米波傳感器將補充或取代已確立的機器人傳感技術。

 

總之，以下是毫米波傳感器與其他技術對比的優勢：

 

●  毫米波傳感器對環境條件（如陽光直射、陰影或水的光反射）不敏感。

 

●  毫米波可檢測玻璃牆、隔牆和家具，而基於光的傳感解決方案則可能無法做到。

 

●  毫米波提供物體的多普勒速度信息
，這在車輪在潮濕表麵打滑時有助於增強機器人裏程計。

 

●  基ji於yu毫hao米mi波bo的de傳chuan感gan器qi機ji械xie複fu雜za度du較jiao低di，從cong而er減jian少shao了le製zhi造zao校xiao準zhun和he誤wu差cha校xiao正zheng過guo程cheng。沒mei有you通tong風feng口kou或huo透tou鏡jing，它ta們men可ke直zhi接jie安an裝zhuang在zai塑su料liao外wai殼ke後hou。集ji成cheng校xiao準zhun意yi味wei著zhe在zai線xian製zhi造zao複fu雜za性xing更geng低di。廣guang闊kuo的de視shi野ye使shi得de不bu再zai需xu要yao機ji械xie旋xuan轉zhuan傳chuan感gan器qi機ji製zhi。

 

●  TI 的高度集成單片 CMOS 毫米波傳感器使所有處理都可在傳感器內發生。與基於視覺的係統相比
，這降低了材料成本、縮小了尺寸並減少了中央控製器處理器每秒所需的百萬條指令。

 

毫米波傳感器技術提高了機器人的智能化操作
，同時在實際環境中 增強了耐用性。這項技術的應用將進一步加快機器人係統的快速采用。

 

參考文獻

 

1. Tractica.“《機器人市場預測》。”17 年第 2季度.

 

2. Barrett D.、D. Wang
、A. Ahmad 和 V. Mah imkar。“《使用毫米波傳感器提高無人機安全性 和生產力》。”德州儀器 (TI) 白皮書
， SPYY001
，2017 年。

 

3. Fleming W.J. 和 A.K. Hundiwal。“《雷達對地速度傳感器》。”第 35 屆 IEEE 車輛技術會議
，1985 年，第 262–272 頁。

 

 

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