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机器人应用中的毫米波雷达传感器
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机器人应用中的毫米波雷达传感器

2020-05-26 14:16:00 来源:德州仪器 (TI) 点击:658

【大比特导读】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。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。

介绍

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。

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]。

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。

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。

传感器技术比较

表 1.传感器技术比较。

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

体积是微型激光测距仪的三分之一,重量是其一半

[2]。

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。

图 1.现代建筑广泛使用玻璃表面

图 1.现代建筑广泛使用玻璃表面。

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)。

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。

设置用于检测玻璃墙的测试

图 2.设置用于检测玻璃墙的测试。

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。

图 3.显示玻璃板和墙板检测的试验结果

图 3.显示玻璃板和墙板检测的试验结果。

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。

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。

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。

机器人平台上的对地速度雷达配置

图 4.机器人平台上的对地速度雷达配置。

方程 1 计算均匀理想条件下的速度:

f = (2V/ l ) * cosq (1)

其中 V 是车辆的速度,l是发射信号的波长,q

是天线俯角,而 fd 是多普勒频率(单位:Hz)。

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。

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。

图 5.未来的机器人将与人类有更多的交互。

图 5.未来的机器人将与人类有更多的交互。

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。

方程 1 计算均匀理想条件下的速度:

f = (2V/ l ) * cosq (1)

其中 V 是车辆的速度,l是发射信号的波长,q

是天线俯角,而 fd 是多普勒频率(单位:Hz)。

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]

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