機器人應用中的毫米波雷達傳感器

當腦海中浮現(xiàn)機器人的形象時，您可能會聯(lián)想到巨大的機械手臂，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。這些機器人與大眾文化和科幻小說中描繪的機器人大不相同，在后者中，機器人常以人們日常生活助手的形象示人。

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(fā)展，市場規(guī)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，可在將機器人系統(tǒng)部署到不斷變化、不受控制的環(huán)境中時取得最佳效果?；パa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面一項相對較新的技術。

介紹

圖 1.現(xiàn)代建筑廣泛使用玻璃表面。

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范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(yōu)缺點，如表1 所示。

與基于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(yōu)勢是不受雨、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、通風口或傳感器表面的塑料外殼后，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]。

傳感器	毫米波	攝像機	激光雷達	超聲波
圖片
檢測范圍	長	中	長	短接
檢測角度	窄、寬		窄、寬	寬
距離分辨率	好		好
可檢測信息	速度、距離、角度	目標分類	速度、距離、角度	范圍
惡劣天氣	好	差
夜間作業(yè)	有	無
檢測性能	強大、穩(wěn)定	計算物坐標復雜	天氣惡劣時性能差	短程應用

表1.傳感器技術比較。

檢測玻璃墻

圖 1 說明了玻璃墻和隔墻在現(xiàn)代建筑中的應用， 而服務型機器人（例如真空吸塵或拖地機器人）需 要感知這些表面以防止碰撞。 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 感器可檢測到玻璃墻的存在及其后面的物體。

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)。 然后，我們在玻璃后面 140cm 處的位置放置了一 個墻板，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 中顯示的結果明確證明了毫 米波傳感器可檢測玻璃墻面及其背后的墻板。

圖 2.設置用于檢測玻璃墻的測試。

使用毫米波傳感器測量對地速度

精確的里程計信息對于機器人平臺的自主移動必不可少。

可通過測量機器人平臺上車輪或皮帶的轉動來獲得此信息。然而，如果車輪在松散礫石、泥地或濕地等表 面上打滑時，這種低成本方法顯然無法輕松湊效。更先進的系統(tǒng)可通過增加一個 IMU（有時通過 GPS 增強）來確保里程計非常精確。毫米波感器可通 過向地面發(fā)送線性調頻信號并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里程計信息。

圖 3.顯示玻璃板和墻板檢測的試驗結果。

圖4 顯示了對地速度毫米波雷達傳感器在機器人平臺上的潛在配置。是將雷達指向平臺前（如圖所示）還是指向平臺后（農用車輛的標準做法）需進行權衡。如果指向平臺前，則也可使用同一毫米波傳感器來檢測表面邊緣，避免不可恢復的平臺損失，如從倉庫裝運臺上跌落。如果指向平臺后，則可將傳感器安裝在平臺的重心點上，盡量減少俯仰和偏航對測量的影響，這在農業(yè)應用中是一個大問題。

圖 4.機器人平臺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：

f = ( 2V / λ ) * cos θ   fd   (1) 

其中 V 是車輛的速度，λ是發(fā)射信號的波長，θ是天線俯角，而 f_d 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，并引入轉動速度分量。這些計算超出了本文的范圍， 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。 

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

由于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。由于這些傳感器視野寬闊且探測距離較長，將其安裝在工作區(qū)域上方可簡化安裝過程。只使用一個毫米波傳感器即可檢測多個物體或人員， 減少所需傳感器數量并降低成本。 

圖 7.TI IWR 毫米波傳感器處理鏈。 

毫米波傳感器生成的點云信息

毫米波雷達傳感器可通過模數轉換器將射頻 (RF) 前端模擬數據轉換為數字表示形式。這種數字轉換的數據需要高速外部數據總線，以將數據流引入處理鏈，然后經過一系列數學運算對在傳感器視野范圍內檢測到的點生成距離、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(xiàn)可進行聚合、跟蹤和分類等任務的數據后處理，如圖 7 所示。 

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