广告

机器人应用中的毫米波雷达传感器

2020-05-25 10:49:36 Dennis Barrett 产品营销经理;Adrian Alvarez 德州仪器 (TI) 实习应 阅读:
随着机器人技术的进步,互补传感器技术也在进步。就像人类的五官感觉一样,通过将不同的传感技术结合起来,可在将机器人系统部署到不断变化、不受控制的环境中时取得最佳效果。

当脑海中浮现机器人的形象时,您可能会联想到巨大的机械手臂,工厂车间里盘绕的随处可见的线圈和线束,以及四处飞溅的焊接火花。这些机器人与大众文化和科幻小说中描绘的机器人大不相同,在后者中,机器人常以人们日常生活助手的形象示人。cazednc

如今,人工智能技术的突破正在推动服务型机器人、无人飞行器和自主驾驶车辆的机器人技术发展,市场规模预计将从 2016 年的 310 亿美元增加到 2020 年的 2370 亿美元[1]cazednc

随着机器人技术的进步,互补传感器技术也在进步。就像人类的五官感觉一样,通过将不同的传感技术结合起来,可在将机器人系统部署到不断变化、不受控制的环境中时取得最佳效果。互补金属氧化物半导体 (CMOS) 毫米波 (mmWave) 雷达传感器是机器人感知方面一项相对较新的技术。cazednc

机器人传感器技术

机器人传感器技术包括力和扭矩传感器、触摸传感器、一维/二维红外 (IR) 测距仪、三维飞行时间激光雷达传感器、摄像机、惯性测量单元 (IM U)、GPS 等。CMOS 毫米波雷达传感器可精确测量其视野范围内物体的距离以及任何障碍物的相对速度。这些感应技术各有优缺点,如表 1 所示。cazednc

cazednc

表 1.传感器技术比较。cazednc

与基于视觉和激光雷达的传感器相比,毫米波传感 器的一个重要优势是不受雨、尘、烟、雾或霜等环 境条件影响。此外,毫米波传感器可在完全黑暗中 或在阳光直射下工作。这些传感器可直接安装在无 外透镜、通风口或传感器表面的塑料外壳后,非常 坚固耐用,能满足防护等级 (IP) 69K 标准。此外, TI 的毫米波传感器的体积小、重量轻,生产设计cazednc

体积是微型激光测距仪的三分之一,重量是其一半[2]cazednc

检测玻璃墙

图 1 说明了玻璃墙和隔墙在现代建筑中的应用, 而服务型机器人(例如真空吸尘或拖地机器人)需要感知这些表面以防止碰撞。 事实证明,使用摄像机和红外传感器很难检测这些元素。但毫米波传感器可检测到玻璃墙的存在及其后面的物体。cazednc

cazednc

图 1.现代建筑广泛使用玻璃表面。cazednc

为演示这一功能,我们设置了一个简单的实验,对 80c m 远处的一块玻璃使用德州仪器 (TI) IWR1443BOOST 毫米波传感器评估模块 (EVM)。cazednc

然后,我们在玻璃后面 140cm 处的位置放置了一个墙板,如图 2 所示。cazednc

cazednc

图 2.设置用于检测玻璃墙的测试。cazednc

在毫米波演示可视化工具中使用 EVM 随附的演示软件和可视化工具,图 3 中显示的结果明确证明了毫米波传感器可检测玻璃墙面及其背后的墙板。cazednc

cazednc

图 3.显示玻璃板和墙板检测的试验结果。cazednc

使用毫米波传感器测量对地速度

精确的里程计信息对于机器人平台的自主移动必不可少。cazednc

可通过测量机器人平台上车轮或皮带的转动来获得此信息。然而,如果车轮在松散砾石、泥地或湿地等表面上打滑时,这种低成本方法显然无法轻松凑效。cazednc

更先进的系统可通过增加一个 IMU(有时通过 GPS 增强)来确保里程计非常精确。毫米波传感器可通过向地面发送线性调频信号并测量返回信号的多普勒频移,为穿越不平坦的地形或底盘俯仰和偏航情况较多的机器人提供额外的里程计信息。图 4 显示了对地速度毫米波雷达传感器在机器人平台上的潜在配置。 是 将雷达指向平台前(如图所示)还是指向平台后(农用车辆的标准做法)需进行权衡。如果指向平台前,则也可使用同一毫米波传感器来检测表面边缘,避免不可恢复的平台损失,如从仓库装运台上跌落。如果指向平台后,则可将传感器安装在平台的重心点上,尽量减少俯仰和偏航对测量的影响,这在农业应用中是一个大问题。cazednc

cazednc

图 4.机器人平台上的对地速度雷达配置。cazednc

方程 1 计算均匀理想条件下的速度:cazednc

cazednc

其中 V 是车辆的速度, λ 是发射信号的波长, θ 是天线俯角,而 fd 是多普勒频率(单位:Hz)。cazednc

扩展方程 1 能够补偿变量(例如,导致传感器俯仰、偏航和翻滚的非均匀地形)的速度测量误差,并引入转动速度分量。这些计算超出了本文的范围, 但一般可在文献中找到它们。[3]cazednc

机械臂周围的安全防护装置

随着机器人在服务能力或在灵活的低批量处理自动化任务中与人类发生更多的交互,必须确保它们不会对与之交互的人造成伤害,如图 5 所示。cazednc

cazednc

图 5.未来的机器人将与人类有更多的交互。cazednc

在过去,常用方法是在机器人的工作区域周围打造一个安全屏障或排除区域,确保物理隔离,如图 6 所示。cazednc

cazednc

图 6.带有物理安全笼的机械臂。cazednc

传感器使虚拟安全幕或气泡能够将机器人操作与非计划的人类交互分开,同时避免机器人与机器人发生由于密度和操作可编程性增加而导致的碰撞。基于视觉的安全系统需要受控制的照明,这会增加能耗、产生热量且需要维护。在尘土飞扬的制造环境(如纺织或地毯编织)中,需要经常清洁和注意透镜。cazednc

cazednc

图 7.TI IWR 毫米波传感器处理链。cazednc

由于毫米波传感器非常强大,无论车间的照明、湿度、烟雾和灰尘情况如何,都可检测物体,因此它们非常适合取代视觉系统, 并且可以极低的处理延迟(通常少于 2ms)下提供这种检测。由于这些传感器视野宽阔且探测距离较长,将其安装在工作区域上方可简化安装过程。只使用一个毫米波传感器即可检测多个物体或人员, 减少所需传感器数量并降低成本。cazednc

毫米波传感器生成的点云信息

毫米波雷达传感器可通过模数转换器将射频 (RF) 前端模拟数据转换为数字表示形式。这种数字转换的数据需要高速外部数据总线,以将数据流引入处理链,然后经过一系列数学运算对在传感器视野范围内检测到的点生成距离、速度和角度信息。   由于这些系统通常规模较大且成本高昂,因此 TI 试图将所有这些功能集成到一个单片CMOS 器件上,以减小尺寸,降低成本和功耗。额外的数字处理资源 现可进行聚合、跟踪和分类等任务的数据后处理,如图 7 所示。cazednc

走在毫米波传感器前面的人会产生多个反射点。可在常用的机器人操作系统可视化 (RVIZ) 工具中, 将检测到的所有点映射到相对于传感器的三维区域中(如图 8 所示)。cazednc

cazednc

图 8.RVIZ 中显示的由 IWR1443BOOST EVM 捕捉的人体点云。cazednc

此映射会收集四分之一秒内的所有点。收集到的点信息密度可提供高保真度,可清晰看到腿和手臂的运动,因此物体分类算法会将其归类为一个移动的人。三维区域中开放空间的清晰性对于移动机器人来说也是非常重要的数据,可确保它们能够自主操作。cazednc

使用毫米波传感器映射和导航

使用 IWR1443BOOST EVM 检测到的物体点信息,然后就可以演示如何使用毫米波雷达作为唯一的传感器,精确地映射房间内的障碍物并在标识的自由空间内进行自主操作。cazednc

存在几个机器人开源社区,包括 Robot OS (ROS) 和 Arduino。为了快速演示如何在映射和导航应用中使用毫米波雷达,我们选择了Robot OS 和安装在 ROS 社区 Turtlebot 2 开发平台的 IWR1443BOO ST EVM,如图 9 所示。cazednc

cazednc

图 9.IWR144 3 BOOST 安装在 Turtle bot 2 上的 EV M。cazednc

通过对 EVM 实现基本驱动程序 (ti_mmwave_rospk g),我们使用 OctoMap 和 move_base 库将点云信息集成到导航堆栈中,如图 10 所示。cazednc

cazednc

图 10.与配备有 IWR1443BOOST 的 Turtlebot 2 配合使用的 ROS 库导航堆栈。cazednc

我们在内部办公环境中设置障碍并使 Turtlebot 2 通过该区域,使用 OctoMap 库建立一个三维栅格地图。图 11  是使用 RVIZ 的栅格屏幕截图。cazednc

cazednc

图 11.使用 OctoMap 库在 ROS 中生成栅格地图。cazednc

我们使用从 OctoMap 和 move_base 生成的地图, 输入最终目的地和姿势位置,如图 12 屏幕截图中的绿色箭头所示。cazednc

cazednc

图 12.使用 IWR1443BOOST EVM 栅格地图和 ROS mo ve_base 库,使 Turtlebot 2 进行自主导航cazednc

Turtlebot 2 成功高效地导航到了 选定的位置,然后旋转到适当的姿势,避开其路线中静态和动态障碍物。这证明了使用一个面向未来的毫米波传感器快速在 ROS 环境中进行基本自主机器人导航的效果。cazednc

结论

毫米波传感器最初非常昂贵且尺寸较大,并需要多个分立组件。cazednc

然而,由于现在 TI 将射频、处理和内存资源集成到一个单片 CMOS 芯片上,可以说 毫米波传感器将补充或取代已确立的机器人传感技术。cazednc

总之,以下是毫米波传感器与其他技术对比的优势:cazednc

  • 毫米波传感器对环境条件(如阳光直射、阴影或水的光反射)不敏感。
  • 毫米波可检测玻璃墙、隔墙和家具,而基于光的传感解决方案则可能无法做到。
  • 毫米波提供物体的多普勒速度信息,这在车轮在潮湿表面打滑时有助于增强机器人里程计。
  • 基于毫米波的传感器机械复杂度较低,从而减少了制造校准和误差校正过程。没有通风口或透镜,它们可直接安装在塑料外壳后。集成校准意味着在线制造复杂性更低。广阔的视野使得不再需要机械旋转传感器机制。
  • TI 的高度集成单片 CMOS 毫米波传感器使所有处理都可在传感器内发生。与基于视觉的系统相比,这降低了材料成本、缩小了尺寸并减少了中央控制器处理器每秒所需的百万条指令。

毫米波传感器技术提高了机器人的智能化操作,同时在实际环境中 增强了耐用性。这项技术的应用将进一步加快机器人系统的快速采用。cazednc

参考文献

  1. Tractica.“《机器人市场预测》。”17 年第 2季度.
  2. Barrett D.、D. Wang、A. Ahmad 和 V. Mah imkar。“《使用毫米波传感器提高无人机安全性 和生产力》。”德州仪器 (TI) 白皮书, SPYY001,2017 年。
  3. Fleming W.J. 和 A.K. Hundiwal。“达对地速度传感器》。”第 35 届 IEEE 车辆技术会议,1985 年,第 262–272 页。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 华盛顿大学首创用人体热能为可穿戴电子设备供电 从健康和健身追踪器到虚拟现实设备,可穿戴电子产品已成为我们日常生活的一部分,但找到持续为这些设备供电的方法是一项挑战。华盛顿大学的研究人员开发了一种创新的解决方案:首创的柔性、可穿戴热电设备,可将体热转化为电能。
  • iFixit 拆解M2 MacBook Ai:没有散热器,但有用途不明的加 日前,iFixit发表了M2 MacBook Air的拆解视频,表示在M2 MacBook Air 中发现了新增的端口,以及加速度计。
  • 小米12S Ultra游戏性能超越iPhone 13 Pro Max?高通骁龙 高通将骁龙8 Plus Gen 1的量产交给台积电之后,其生产技术带来了许多改进,其中之一是提高了游戏性能。众所周知,Apple 的 A15 Bionic 是目前公认的最快的移动 SoC,但这一认知却被小米 12S Ultra 搭配高通骁龙8 Plus Gen 1所颠覆。
  • 给廉价蒸蛋器DIY出智能温控,烧了多个仿真器和USB HUB后 笔者手上有一台型号为ZDQ-514Q1的小熊蒸蛋器,弹跳式自锁开关。由于这台蒸蛋器水烧干了,温度上升,温度开关断开停止加热;待温度降低之后,温度开关重新闭合,重新加热。 不仅不节能,也不安全。因此笔者考虑,能不能给这台“低配”电器DIY出“智能”模式……
  • 无需电池即可运行的健康监测可穿戴设备 由加州大学欧文分校的研究人员发明的一种新型自供电手表式健康监测器可以跟踪佩戴者的脉搏,并与附近的智能手机或平板电脑进行无线通信——无需外部电源或电池。
  • “中国复眼”在技术上和用途上与“中国天眼”相比有何 在已经有全球最大的“中国天眼”的背景下,我国为什么还要打造“中国复眼”?二者在技术原理和用途上又有什么不同呢?
  • 苹果新款Apple Watch Series 8新增内置传感器,可监测体 据最新报道称,由于新的内置传感器,即将推出的Apple Watch Series 8将能够告诉佩戴者是否体温高于正常水平。
  • 小米12s系列发布:首款徕卡品牌、1 英寸摄像头传感器、 继一加牵手哈苏(HASSELBLAD)以及 Vivo 牵手蔡司之后,小米和徕卡在今年早些时候也宣布建立合作伙伴关系。小米在六月底宣布,小米 12S 系列将成为该交易的第一批手机,就在昨日,小米举办了小米12S系列新品发布会,包括小米12S、小米12S Pro、小米12S Ultra三款手机,这三款手机均提供徕卡 Summicron 镜头以减少眩光并提高透光率,同时还提供徕卡成像配置文件。
  • 手动拆解十万元的比亚迪“元”,附详细拆解图 大家是不是对手机、电脑等小型消费电子的拆解已经习以为常了?这次有个券商搞了个大动作,动手拆了一辆市场价值十万元的比亚迪“元”,还撰写了一份详细的拆解报告,刷屏了券商、汽车等行业,网友们也大呼“硬核”。
  • 如何评估3D音频解决方案 沉浸式3D/空间音频,与XR/360视频相结合,给您带来宛若置身于茂密深林的视听体验——飘落的细枝在脚下嘎吱作响,一头鹿向东原跑去,当您的目光追着一只红衣凤头鸟而远去时,您能听见它扇动翅膀的声音。精准的头部跟踪有助于提供逼真的用户体验(UX),了解评估解决方案的关键因素,可以帮助您在不断发展的行业中找到方向。
  • 芯海:信号链MCU新标杆——SmartAnalog系列 6月17日,在AspenCore举办的“全球MCU生态发展大会”上,芯海科技高级产品经理王伟发表了“信号链MCU新标杆:SmartAnalog系列”主题演讲。
  • 波兰网友拆德国产无线烟感,烟雾探测原来是这样实现! 本文将展示具有433MHz RF通信的CC-80型烟雾探测器的内部,我将指出它的各个部件都有什么作用,还将解释它如何检测烟雾。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了