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作者：德州儀器 人形機器人具有自動執(zhí)行任務(wù)、做類似人類的動作和參與社交互動，因此在各行各業(yè)都備受關(guān)注。這些機器人的應(yīng)用范圍廣泛，從醫(yī)療保健、人形機器人輔助患者，到工業(yè)自動化、教育和研究，不一而足。人形機器人的開發(fā) 面臨著多項挑戰(zhàn)，包括復(fù)制人類的復(fù)雜動作、實現(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)代人形機器人 傳感在人形機器人中的重要性 人形機器人的一個重要方面是探測和解讀物理環(huán)境的能力；正如人類依靠感官進行導(dǎo)航和與世界互動一樣，人形機器人也需要復(fù)雜的傳感系統(tǒng)來自主有效地執(zhí)行任務(wù)。人形機器人中使用的常見傳感器類型包括視覺系統(tǒng)（攝像頭）、雷達和激光雷達（導(dǎo)航和感知）、觸覺傳感器（模擬觸控）以及使機器人能夠了解自身姿勢和平衡的聽覺系統(tǒng)（麥克風(fēng)）。本應(yīng)用簡報探討了毫米波 (mmWave) 雷達傳感器在導(dǎo)航、識別以及將雷達與攝像頭傳感器集成方面的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)人形機器人中的傳感器融合。 毫米波雷達傳感器簡介 遠距離功能、高運動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(shè)計的常用技術(shù)。雷達傳感器具有高精度，在汽車和工業(yè)市場中也很受歡迎，用于檢測盲點、碰撞、人員和運動。 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(yīng)用，例如工業(yè)機器人中的物體存在檢測以及工廠或家居移動機器人應(yīng)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(jié)省成本；攝像頭可能會受到光線不足和天氣的影響。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。由于移動機器人應(yīng)用需要節(jié)省功耗，因此用戶經(jīng)常使用低至 1.7mW 的雷達進行存在檢測。但是，在各種用例場景中，可使用雷達和激光雷達、攝像頭或替代光學(xué)傳感器類型組合。 從功能安全的角度來看，TI 工程師在設(shè)計 IWR6843 等非接觸式雷達傳感器之前，已進行了大量的硬件和軟件開發(fā)工作，并獲得了 (TüV) SüD 的器件認(rèn)證。所有 TI 雷達傳感器均包含內(nèi)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，可在元件級別滿足高達安全完整性等級 (SIL) 2 的硬件功能。 可以通過診斷軟件庫、編譯器資質(zhì)審核套件、第三方操作系統(tǒng)、開發(fā)工具和其他文檔在線獲取功能安全配套資料，從而讓工程師簡化安全設(shè)計流程和系統(tǒng)級認(rèn)證。 傳感器融合 在人形機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、光線不足或探測非視覺元素時會遇到困難，而激光雷達傳感器則會因為機器人移動時激光上下跳動而導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)收集限制可能會導(dǎo)致導(dǎo)航、物體操作和環(huán)境交互方面的錯誤。 傳感器融合技術(shù)通過集成來自多個傳感器的數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確、可靠和全面地了解機器人環(huán)境，從而解決這些問題。通過結(jié)合來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(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，以及在動態(tài)的真實世界環(huán)境中進行交互。傳感器融合的優(yōu)勢包括： 1. 通過合并不同傳感器的數(shù)據(jù)來提高精確度。 2. 冗余，以便在一個傳感器發(fā)生故障時確認(rèn)功能正常。 3. 通過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，而且在探測移動物體時非常可靠，因此是經(jīng)常集成到系統(tǒng)中的主要傳感器之一。為了彌補單一傳感器系統(tǒng)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。該模塊實現(xiàn)了一種物體級融合方法，該方法應(yīng)用了注重物體聚類和跟蹤的攝像頭-視覺處理鏈和雷達處理鏈，使用戶能夠跟蹤和探測三維環(huán)境中的物體。用戶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(gòu)建的攝像頭和雷達傳感器模塊 總結(jié) 本應(yīng)用簡報探討了毫米波感應(yīng)、安全和傳感器融合在實現(xiàn)精確檢測人形機器人周圍的物體和運動方面的優(yōu)勢。毫米波傳感技術(shù)在昏暗或灰塵等低能見度條件下尤為重要，因為在這些條件下，傳統(tǒng)的視覺傳感器可能不可靠。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(yīng)用的潛在選擇。 本應(yīng)用簡報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(fù)雜環(huán)境中的可靠運行至關(guān)重要。憑借 (TüV) SüD 內(nèi)置的功能安全機制和器件安全認(rèn)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(jié)合，有助于提高物體探測的準(zhǔn)確性、故障冗余性、決策能力以及機器人行為的實時調(diào)整，從而提高人形機器人系統(tǒng)的自主性和安全性。 |
