【導(dǎo)讀】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(jiàn)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(shuō)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?/strong>
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(wú)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(jué)一樣，通過(guò)將不同的傳感技術(shù)結(jié)合起來(lái)，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。互補(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)。
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。
表 1.傳感器技術(shù)比較。
與基于視覺(jué)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(yáng)光直射下工作。這些傳感器可直接安裝在無(wú) 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]。
檢測(cè)玻璃墻
圖 1 說(shuō)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。
圖 1.現(xiàn)代建筑廣泛使用玻璃表面。
為演示這一功能，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)簡(jiǎn)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。
圖 2.設(shè)置用于檢測(cè)玻璃墻的測(cè)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(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 3.顯示玻璃板和墻板檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果。
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(guò)測(cè)量機(jī)器人平臺(tái)上車輪或皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)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(wú)法輕松湊效。
更先進(jìn)的系統(tǒng)可通過(guò)增加一個(gè) IMU（有時(shí)通過(guò) GPS 增強(qiáng)）來(lái)確保里程計(jì)非常精確。毫米波傳感器可通過(guò)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 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(lái)檢測(cè)表面邊緣，避免不可恢復(fù)的平臺(tái)損失，如從倉(cāng)庫(kù)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(wèn)題。
機(jī)械臂周圍的安全防護(hù)裝置
隨著機(jī)器人在服務(wù)能力或在靈活的低批量處理自動(dòng)化任務(wù)中與人類發(fā)生更多的交互，必須確保它們不會(huì)對(duì)與之交互的人造成傷害，如圖 5 所示。
圖 5.未來(lái)的機(jī)器人將與人類有更多的交互。
在過(guò)去，常用方法是在機(jī)器人的工作區(qū)域周圍打造一個(gè)安全屏障或排除區(qū)域，確保物理隔離，如圖 6 所示。
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：
其中 V 是車輛的速度，?是發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)，? 是天線俯角，而 fd 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(kāi)，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。基于視覺(jué)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。
圖 7.TI IWR 毫米波傳感器處理鏈。
由于毫米波傳感器非常強(qiáng)大，無(wú)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(jué)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(zhǎng)，將其安裝在工作區(qū)域上方可簡(jiǎn)化安裝過(guò)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。
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(guò)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(guò)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。
走在毫米波傳感器前面的人會(huì)產(chǎn)生多個(gè)反射點(diǎn)?？稍诔Ｓ玫臋C(jī)器人操作系統(tǒng)可視化 (RVIZ) 工具中， 將檢測(cè)到的所有點(diǎn)映射到相對(duì)于傳感器的三維區(qū)域中（如下一頁(yè)的圖 8 所示）。此映射會(huì)收集四分之一秒內(nèi)的所有點(diǎn)。收集到的點(diǎn)信息密度可提供高保真度，可清晰看到腿和手臂的運(yùn)動(dòng)，因此物體分類算法會(huì)將其歸類為一個(gè)移動(dòng)的人。三維區(qū)域中開(kāi)放空間的清晰性對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)也是非常重要的數(shù)據(jù)，可確保它們能夠自主操作。
使用毫米波傳感器映射和導(dǎo)航
使用 IWR1443BOOST EVM 檢測(cè)到的物體點(diǎn)信息， 然后就可以演示如何使用毫米波雷達(dá)作為唯一 的傳感器精確地映射房間內(nèi)的障礙物并在標(biāo)識(shí)的自由空間內(nèi)進(jìn)行 自主操作。存在幾個(gè)機(jī)器人開(kāi) 源社區(qū)，包括 Robot OS (ROS) 和 Arduino。為了快速演示如何在映射和導(dǎo)航應(yīng)用中使用毫米波雷達(dá)，我們使用 OctoMap 和 move_base 庫(kù)將點(diǎn)云信息集成到導(dǎo)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(diǎn)云。
我們?cè)趦?nèi)部辦公環(huán)境中設(shè)置障礙并使 Turtlebot 2 通過(guò)該區(qū)域，使用 OctoMap 庫(kù)建立一個(gè)三維柵格地圖。下一頁(yè)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(shì)位置，如下一頁(yè)的圖 12
屏幕截圖中的綠色箭頭所示。Turtlebot 2 成功高效地導(dǎo)航到了 選定的位置，然后旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)淖藙?shì)，避開(kāi)其路線中靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物。這證明了使用一個(gè)面向未來(lái)的毫米波傳感器快速在 ROS 環(huán)境中進(jìn)行基本自主機(jī)器人導(dǎo)航的效果。
圖 9.IWR144 3 BOOST
安裝在 Turtle bot 2 上的 EV M。
結(jié)論
毫米波傳感器最初非常昂貴且尺寸較大，并需要多個(gè)分立組件。然而，由于現(xiàn)在 TI 將射頻、處理和內(nèi)存資源集成到一個(gè)單片 CMOS 芯片上，可以說(shuō)通過(guò)對(duì) EVM 實(shí)現(xiàn)基本驅(qū)動(dòng)程序 (ti_mmwave_rospkg)，毫米波傳感器將補(bǔ)充或取代已確立的機(jī)器人傳感技術(shù)。
圖 10.與配備有 IWR1443BOOST 的 Turtlebot 2 配合使用的 ROS 庫(kù)導(dǎo)航堆棧。
圖 11.使用 OctoMap 庫(kù)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(kù)，使 Turtlebot 2 進(jìn)行自主導(dǎo)航
毫米波傳感器將補(bǔ)充或取代已確立的機(jī)器人傳感技術(shù)。
總之，以下是毫米波傳感器與其他技術(shù)對(duì)比的優(yōu)勢(shì)：
● 毫米波傳感器對(duì)環(huán)境條件（如陽(yáng)光直射、陰影或水的光反射）不敏感。
● 毫米波可檢測(cè)玻璃墻、隔墻和家具，而基于光的傳感解決方案則可能無(wú)法做到。
● 毫米波提供物體的多普勒速度信息，這在車輪在潮濕表面打滑時(shí)有助于增強(qiáng)機(jī)器人里程計(jì)。
● 基于毫米波的傳感器機(jī)械復(fù)雜度較低，從而減少了制造校準(zhǔn)和誤差校正過(guò)程。沒(méi)有通風(fēng)口或透鏡，它們可直接安裝在塑料外殼后。集成校準(zhǔn)意味著在線制造復(fù)雜性更低。廣闊的視野使得不再需要機(jī)械旋轉(zhuǎn)傳感器機(jī)制。
● 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(nèi)發(fā)生。與基于視覺(jué)的系統(tǒng)相比，這降低了材料成本、縮小了尺寸并減少了中央控制器處理器每秒所需的百萬(wàn)條指令。
毫米波傳感器技術(shù)提高了機(jī)器人的智能化操作，同時(shí)在實(shí)際環(huán)境中 增強(qiáng)了耐用性。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步加快機(jī)器人系統(tǒng)的快速采用。
參考文獻(xiàn)
1. Tractica.“《機(jī)器人市場(chǎng)預(yù)測(cè)》。”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(wú)人機(jī)安全性 和生產(chǎn)力》。”德州儀器 (TI) 白皮書， SPYY001，2017 年。
3. Fleming W.J. 和 A.K. Hundiwal。“《雷達(dá)對(duì)地速度傳感器》。”第 35 屆 IEEE 車輛技術(shù)會(huì)議，1985 年，第 262–272 頁(yè)。
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