本文节选自：《工业机器人设计工程师指南》
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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。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。
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、1D/2D红外 (IR) 测距仪、3D 飞行时间激光雷达 (LIDAR) 传感器、摄像机、惯性测量单元 (IMU)、GPS 等。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。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。这些传感技术各有优缺点，如表 1 所示。
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，设计产品的体积是微型激光雷达测距仪的三分之一，重量是其一半。
表1.传感器技术比较。
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。
为演示这一功能，我们设置了一个简单的实验，对 80cm 远的一块玻璃使用 IWR1443 单芯片 76GHz 至 81GHz TI 毫米波传感器评估模块 (EVM)。然后，我们玻璃后面 140cm 处的位置放置了一个墙板，如图 2 所示。
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 TI 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测试结果.
使用 TI 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里程信息。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 进行增强)来确保里程信息非常精确。TI 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信息。
图 4 (下一页)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。无论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)，都需要进行权衡。如果指向平台前，则也可使用同一 TI 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。
图 4.机器人平台上的对地速度雷达配置。
方程 1 可以计算均匀理想条件下的速度。


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。
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。
过去通常在机器人的工作区域周围设置一个安全屏障或排除区域，确保物理隔离，如图 6 所示。
图 6.带有物理安全笼的机械臂。
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，需要经常清洁和观察透镜。
由于 TI 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，都可以检测物体，因此它们非常适合取代视觉系统，并能以极低的处理延迟(通常少于 2ms)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。
毫米波传感器生成的点云信息
TI 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 设法将所有这些功能集成到了一个单片CMOS 器件上，从而减小尺寸并降低成本和功耗。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。
图 7.TI 毫米波传感器处理链.
走在 TI 毫米波传感器前面的人会产生多个反射点。在机器人操作系统 (ROS) 可视化 (RVIZ) 工具中，可将检测到的所有点映射到相对于传感器的 3D 区域中(如图 8 所示)。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。3D 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。
图 8.RVIS 中显示的由 IWR1443 EVM 捕捉的人体点云.
使用 TI 毫米波传感器映射和导航
使用 IWR1443 EVM 检测到的物体点信息，然后就可以演示如何使用 TI 毫米波雷达精确地映射房间内的障碍物并在确定
的自由空间内进行自主操作。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 机器人开源Turtlebot 2 开发平台，并在该平台上安装了 IWR1443 EVM，如图 9 所示。
图 9.安装在 Turtlebot 2 上的 IWR1443 EVM.
通过对 EVM 实现基本驱动程序 (ti_mmwave_rospkg)，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(下一页)所示。

图 10.与配备有 IWR1443 EVM 的 Turtlebot 2 配合使用的 Robot OS 库导航堆栈.我们在室内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 3D 占据栅格地图。图 11 是使用 RVIZ 的占据栅格屏幕截图。
图 11.在 Robot OS 中使用 OctoMap 库生成占据栅格地图.
我们使用的是通过 move_base 从 OctoMap 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。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，避开了其路线中的静态和动态物体。这证明了使用一个面向未来的毫米波传感器快速在 Robot OS 环境中进行基本自主机器人导航的效果。
图 12.使用 IWR1443 EVM 占据栅格地图和 Robot OS move_base 库使 Turtlebot 2 进行自主导航.
结论
TI 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。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传统的机器人传感技术。
与其他技术相比，TI 毫米波传感器的优势如下：
• TI 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。
• TI 毫米波技术可检测玻璃墙、隔墙和家具，而基于光的传感解决方案则可能 无法做到。
• TI 毫米波传感器提供物体的多普勒速度信息，因此在车轮在潮湿表面可能会打滑时有助于增强机器人里程测量能力。
• TI 毫米波传感器的机械复杂度较低，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式的传感器机制。
• 集成式的单个单片 CMOS TI 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BOM 成本、缩小了尺寸并减少了中央控制器处理器需要提供的每秒百万指令数 (MIPS)。
TI 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。

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