人形機器人中的毫米波雷達感應和傳感器融合

人形機器人具有自動執行任務、做類似人類的動作和參與社交互動，因此在各行各業都備受關注。這些機器人的應用范圍廣泛，從醫療保健、人形機器人輔助患者，到工業自動化、教育和研究，不一而足。人形機器人的開發 面臨著多項挑戰，包括復制人類的復雜動作、實現自主決策以及創建能夠適應非結構化環境的系統。

圖1 現代人形機器人

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境的能力；正如人類依靠感官進行導航和與世界互動一樣，人形機器人也需要復雜的傳感系統來自主有效地執行任務。人形機器人中使用的常見傳感器類型包括視覺系統（攝像頭）、雷達和激光雷達（導航和感知）、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（麥克風）。本應用簡報探討了毫米波 (mmWave) 雷達傳感器在導航、識別以及將雷達與攝像頭傳感器集成方面的優勢，從而實現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計的常用技術。雷達傳感器具有高精度，在汽車和工業市場中也很受歡迎，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用，例如工業機器人中的物體存在檢測以及工廠或家居移動機器人應用。

圖2 嵌入在工業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而不是激光雷達、攝像頭和其他光學傳感器，以節省成本；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。由于移動機器人應用需要節省功耗，因此用戶經常使用低至 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、攝像頭或替代光學傳感器類型組合。

從功能安全的角度來看，TI 工程師在設計 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工作，并獲得了 (TüV) SüD 的器件認證。所有 TI 雷達傳感器均包含內置的功能安全機制，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、編譯器資質審核套件、第三方操作系統、開發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計流程和系統級認證。

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，包括數據收集不完整或不準確。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致讀數不準確。數據收集限制可能會導致導航、物體操作和環境交互方面的錯誤。

傳感器融合技術通過集成來自多個傳感器的數據，更準確、可靠和全面地了解機器人環境，從而解決這些問題。通過結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，從而增強執行復雜任務的能力，例如在不平坦的地形中導航、抓取不同形狀和大小的物體，以及在動態的真實世界環境中進行交互。傳感器融合的優勢包括：

1.通過合并不同傳感器的數據來提高精確度。

2.冗余，以便在一個傳感器發生故障時確認功能正常。

3.通過更全面地了解周圍環境提高環境感知能力。

4.能夠更好地適應 動態環境。

雷達和攝像頭傳感器融合

雷達在惡劣條件下經久耐用，而且在探測移動物體時非?？煽?，因此是經常集成到系統中的主要傳感器之一。為了彌補單一傳感器系統的不足，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。該模塊實現了一種物體級融合方法，該方法應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構建的攝像頭和雷達傳感器模塊

總結

本應用簡報探討了毫米波感應、安全和傳感器融合在實現精確檢測人形機器人周圍的物體和運動方面的優勢。毫米波傳感技術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，因此成為機器人應用的潛在選擇。

本應用簡報還介紹了功能安全和傳感器融合技術，這些技術對于人形機器人在復雜環境中的可靠運行至關重要。憑借 (TüV) SüD 內置的功能安全機制和器件安全認證，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、攝像頭或其他光學傳感器相結合，有助于提高物體探測的準確性、故障冗余性、決策能力以及機器人行為的實時調整，從而提高人形機器人系統的自主性和安全性。