傳感器融合如何使 AMR 在工廠車間內高效移動

作者：Jeff Shepard

隨著人與自主移動機器人 (AMR)，也稱為工業(yè)移動機器人 (IMR) 在同一區(qū)域工作的情況越來越多，多種固有安全風險亟待解決。AMR 的安全高效運行非常重要，不能只依賴單一傳感器技術。

多傳感器融合，或簡稱“傳感器融合”，將激光測距 (LIDAR)、攝像頭、超聲波傳感器、激光障礙物傳感器和射頻識別 (RFID) 等技術結合起來，為一系列 AMR 功能提供支持，這些功能包括導航、路徑規(guī)劃、防撞、庫存管理和物流支持。傳感器融合還包括提醒附近的人注意 AMR 的存在。

為了滿足 AMR 安全高效運行的需求，美國國家標準協(xié)會 (ANSI) 和自動化推進協(xié)會 (A3)（前身為機器人工業(yè)協(xié)會 [RIA]）正在制定 ANSI/A3 R15.08 系列標準。R15.08-1 和 R15.08-2 已經(jīng)發(fā)布，重點關注基本安全要求和 AMR 與現(xiàn)場的集成。R15.08-3 目前正在制定中，該標準將擴展 AMR 的安全要求，其中包括使用傳感器融合技術的更詳細建議。

為了迎接 R15.08-3 標準的到來，本文回顧了當今與 AMR 安全和傳感器融合相關的一些最佳實踐，首先簡要介紹了目前與使用 AMR 有關的功能安全要求，其中包括 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061 等通用工業(yè)安全標準，以及 IEC 61496 和 IEC 62998 等與感測人體存在有關的安全要求。然后介紹了典型的 AMR 設計，詳細說明了各種傳感器技術，展示了具有代表性的設備，并探討了這些設備如何為導航、路徑規(guī)劃、定位、防撞和庫存管理/物流支持等功能提供支持。

精益求精

AMR 設計人員需要考慮一系列安全標準，首先是 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061 等通用功能安全標準。此外，還要考慮與感測人體存在有關的特定安全標準，如 IEC 61496、IEC 62998 和 ANSI/A3 R15.08 系列標準。

IEC 61496 為多種傳感器類型提供了指導。該標準參考了 IEC 62061 和 ISO 13849，IEC 62061 規(guī)定了機器電敏保護設備 (ESPE) 的設計、集成和驗證要求，并提出了建議，其中包括安全完整性等級 (SIL)；ISO 13849 涵蓋了與機械安全和控制系統(tǒng)的安全相關部件有關的要求，其中包括安全性能等級 (PL)（表 1）。

| | 要求 | 類型 |
| ------------------------------------------ | ---------------- |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 安全性能符合 IEC 62061 和/或 ISO 13849-1 | 不適用 | SIL 1 和/或 PL c | SIL 2 和/或 PL d | SIL 3 和/或 PL e |
| SIL = 安全完整性等級；PL = 性能等級 |

表 1：IEC 61496 中規(guī)定的各類 ESPE 的安全要求。（表格來源：[Analog Devices]）

IEC 62998 較新，通常是更好的選擇，因為該標準包括與實施傳感器融合、在安全系統(tǒng)中使用人工智能 (AI)，以及使用安裝在 IEC 61496 覆蓋范圍之外的移動平臺上的傳感器有關的指導。

R15.08 第 3 部分發(fā)布后，可能會使 R15.08 系列成為最好的選擇，因為該系列將為 AMR 系統(tǒng)和 AMR 應用的用戶增加安全要求。相關主題可能包括傳感器融合和更廣泛的 AMR 穩(wěn)定性測試和驗證。

傳感器融合功能

對設施進行地圖構建是 AMR 調試的一個重要方面。但這并非一勞永逸的活動，而是一個持續(xù)過程的一部分，該過程稱為即時定位與地圖構建 (SLAM)，有時也稱為同步定位與地圖構建。這是一個在跟蹤機器人位置的同時針對任何變化不斷更新區(qū)域地圖的過程。

為了支持 SLAM 并實現(xiàn) AMR 的安全運行，就需要傳感器融合。并非所有傳感器在所有工作環(huán)境下都能發(fā)揮同樣的作用，不同的傳感器技術會產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)類型。在傳感器融合系統(tǒng)中，AI 可用于整合與當?shù)毓ぷ鳝h(huán)境有關的信息（是霧霾還是煙霧、濕度、環(huán)境光亮度等），還可以通過整合不同傳感器技術的輸出，獲得更有意義的結果。

傳感器元件可按功能和技術分類。AMR 中傳感器融合功能的示例包括（圖 1）：

• 距離傳感器，如車輪上的編碼器，以及使用陀螺儀和加速計的慣性測量裝置，借助這些裝置可測量運動和確定基準位置之間的距離。
• 三維 (3D) 攝像頭和 3D LiDAR 等圖像傳感器，用于識別和跟蹤附近物體。
• 通信鏈路、計算處理器和物流傳感器，如條碼掃描器和射頻識別 (RFID) 設備，這些設備可將 AMR 與整個設施的管理系統(tǒng)連接起來，并將外部傳感器的信息整合到 AMR 的傳感器融合系統(tǒng)中，以提高性能。
• 激光掃描儀和二維 (2D) LiDAR 等接近傳感器，用于檢測和跟蹤 AMR 附近的物體，包括人的運動。

圖 1：AMR 傳感器融合設計中使用的常見傳感器類型和相關系統(tǒng)元件的示例。（圖片來源：[Qualcomm]）

2D LiDAR、3D LiDAR 和超聲波

2D 和 3D LiDAR 以及超聲波是為 SLAM 和 AMR 安全提供支持的常見傳感器技術。這些技術之間的差異使得傳感器可以相互彌補不足，從而提高性能和可靠性。

2D LiDAR 使用單個激光照射平面，根據(jù) X 和 Y 坐標識別物體。3D LiDAR 使用多個激光束創(chuàng)建周圍環(huán)境高度詳細的 3D 表示，稱為點云。這兩種類型的 LiDAR 不太容易受環(huán)境光條件的影響，但要求待檢測物體對激光器發(fā)射波長的反射率達到最低閾值。一般而言，在檢測低反射率物體方面，3D LiDAR 比 2D LiDAR 更加可靠。

[Seeed Technology]的 [HPS-3D160] 3D LiDAR 傳感器集成了高功率 850 nm 紅外垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 發(fā)射器和高感光 CMOS。嵌入式高性能處理器包括濾波和補償算法，支持多個 LiDAR 同步工作。該裝置的檢測距離可達 12 米，精度為厘米級。

需要 2D LiDAR 解決方案時，設計人員可以使用 [SICK] 的 TIM781S-2174104。該器件的孔徑角為 270 度，角度分辨率為 0.33 度，掃描頻率為 15 Hz。安全工作范圍為 5 米。

超聲波傳感器可準確檢測玻璃和吸光材料等透射物體，而 LiDAR 往往無法檢測到這些物體。超聲波傳感器也不易受多塵、煙霧、潮濕和其他可能對 LiDAR 產(chǎn)生干擾的條件的影響。但是，超聲波傳感器對環(huán)境噪聲的干擾很敏感，其檢測范圍可能比 LiDAR 更有限。

[Senix]的 [TSPC-30S1-232]等超聲波傳感器可與 LiDAR 和其他傳感器互補，實現(xiàn) AMR SLAM 和安全性。該器件的最佳檢測范圍為 3 米，而上文所述的 2D LiDAR 為 5 米，3D LiDAR 為 12 米。這款溫度補償超聲波傳感器采用環(huán)境密封式不銹鋼外殼，防護等級為 IP68。

傳感器融合通常是指使用多種分立式傳感器。但在某些情況下，多個傳感器會共同封裝成一個裝置。

三合一傳感器

利用一對攝像頭生成立體圖像的視覺感知系統(tǒng)，再加上基于 AI 和 ML 的圖像處理技術，使得 AMR 能夠看到背景并識別附近物體。集立體深度攝像頭、獨立彩色攝像頭和 IMU 于一體的傳感器現(xiàn)已問世。

立體深度攝像頭（如 [Intel] RealSense [D455 RealSense深度攝像頭]）使用兩個通過已知基線分隔的攝像頭，用于檢測深度和計算與物體的距離。實現(xiàn)高精度的關鍵之一是使用穩(wěn)固的鋼制框架，以確保攝像頭之間的間隔距離精確，即使在苛刻的工業(yè)環(huán)境中也是如此。深度感知算法的準確性取決于是否知道兩個攝像頭之間的精確間距。

例如，型號為 [82635DSD455MP] 的深度攝像頭已針對 AMR 和類似平臺進行了優(yōu)化，同時還將攝像頭之間的距離延長至 95 mm。這使得深度計算算法能夠將 4 米范圍的估計誤差降低到 2% 以下。

D455 深度攝像頭還包括一個獨立彩色 (RGB) 攝像頭。RGB 攝像頭上的全局快門的幀率可達每秒 90 幀，與深度成像儀的視場 (FOV) 相匹配，從而提高彩色圖像與深度圖像之間的對應性，并增強了解周圍環(huán)境的能力。D455 深度攝像頭集成了一個具有六個自由度的 IMU，使得深度計算算法能夠包含 AMR 的運動速率，并得出動態(tài)深度感知估計值。

燈光和發(fā)聲

為 AMR 附近的人提供閃爍燈光和聲音警報對 AMR 安全非常重要。這些燈通常以燈塔或燈帶的形式出現(xiàn)在 AMR 的側面。它們可以幫助機器人向人們傳遞其預期動作相關的信息，還能顯示電池充電、裝載或卸載活動、轉到新方向的意圖（就像汽車上的轉向燈）、緊急狀況等狀態(tài)。

對于燈顏色、閃爍速度或聲音警報，沒有固定的標準。它們可能因 AMR 制造商而異，通常是為了反映 AMR 所在工作設施中的具體活動而開發(fā)。燈帶提供內置和未內置聲音警報機制兩種版本。例如，[Banner Engineering]的型號 [TLF100PDLBGYRAQP]包括一個密封的發(fā)聲元件，有 14 種音調可供選擇并配備音量控件。

物流支持

AMR 是大型企業(yè)系統(tǒng)的一環(huán)，通常需要與企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 或倉庫管理系統(tǒng) (WMS) 軟件集成。AMR 上的通信模塊與條碼讀取器和 RFID 讀取器等傳感器相結合，使得 AMR 能夠與企業(yè)系統(tǒng)緊密融合。

需要條碼讀取器時，設計人員可以使用 [Omron] 的 [V430-F000W12M-SRP]，該儀器可以對標簽上的一維和二維條碼或直接零件標記 (DPM) 條碼進行解碼。其包括可變距離自動對焦、廣角鏡頭、120 萬像素傳感器、內置照明燈和高速處理功能。

[DLP Design]的 [DLP-RFID2]是一款低成本的緊湊型模塊，用于讀寫高頻 (HF) RFID 應答器標簽。該模塊還能一次讀取多達 15 個標簽的唯一標識符 (UDI)，并且可配置為使用內部或外部天線。其工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C，適合在工業(yè) 4.0 制造和物流設施中使用。

總結

傳感器融合是為 SLAM 和 AMR 安全提供支持的重要工具。預計 R15.08-3 可能會提及傳感器融合以及更廣泛的 AMR 穩(wěn)定性測試和驗證，本文回顧了在 AMR 中實施傳感器融合的一些現(xiàn)行標準和最佳實踐。本文是兩部分系列文章中的第二篇。[第一部分]回顧了如何安全高效地將 AMR 集成到工業(yè) 4.0 設施中以實現(xiàn)最大效益。

審核編輯 黃宇