傳感器融合增強自主移動
機器人的導航能力和安全性
工業(yè)5.0背后的理念是人類與人工智能（AI）驅(qū)動的機器人一起工作，發(fā)展愿景則是這些機器人用于支持人類，而不是取代人類。自主移動機器人（AMR）可以提高生產(chǎn)效率、增強安全性，并為制造商節(jié)省大量成本。由于這些原因，AMR的采用將擴展到幾乎所有行業(yè)。在此之前，AMR仍必須克服多項挑戰(zhàn)，而克服這些挑戰(zhàn)的關鍵之一，在于納入各種傳感器和新興的傳感器融合領域。本文將為您介紹傳感器融合技術的發(fā)展，以及由安森美（onsemi）所推出的相關解決方案。
AMR應用前景看好但也面臨挑戰(zhàn)
AMR具有可減少成本、提升安全性、增加效率的應用特性，因此吸引著越來越多行業(yè)開始采用，依據(jù)調(diào)查顯示，2022年全球AMR市場價值為86.5億美元，預計2022年至2028年復合年增長率（CAGR）將為18.3%。雖然AMR的發(fā)展前景看好，但采用AMR也面臨著諸多的挑戰(zhàn)。
采用AMR的首要挑戰(zhàn)是其運行的不同應用和環(huán)境的數(shù)量相當多樣，常見的AMR的用途包括倉庫、農(nóng)業(yè)技術、商業(yè)景觀、衛(wèi)生保健、智慧零售、安全和監(jiān)控、送貨、存貨，以及揀選和分類。在所有這些不同的環(huán)境中，AMR都有望在人員周圍安全運行。
不過，由于應用情況的復雜性，也使得AMR的工作極具挑戰(zhàn)性。作為人類，有些情況是我們視為理所當然，但AMR會難以應對的。例如，想象一個送貨機器人在運送包裹的途中，看到路徑中間有一個球，相信機器人可以毫無問題地識別出球，并避免撞擊到球，但它是否足夠聰明，能夠預見到一個小孩子可能會跑出去撿球呢？諸如此類的復雜情況還有很多，像是AMR是否能夠使用與識別安裝在路邊桿子上的90度反射鏡，來觀察拐角處的狀況，并提前預測交通情況呢？AMR能夠知道它不能在新澆筑的混凝土上行走嗎？這些對人類來說是已經(jīng)習以為常的事，但對AMR卻帶來了挑戰(zhàn)。
也許這些人們?nèi)菀桌斫獾那闆r，對機器人來說更具挑戰(zhàn)性。然而，如果使用了合適的傳感器，AMR將可比人類更容易檢測到明亮陽光下的物體。但澆筑的混凝土和溢出的液體則可能很難被識別，此外，像是邊緣、懸崖、坡道和樓梯，對AMR來說都是挑戰(zhàn)。還有一些特殊情況，比如遇到有人故意破壞AMR，這便又激發(fā)設計出逃生機動系統(tǒng)的需求。想要解決上述的許多挑戰(zhàn)，則需要人工智能使用最先進的大型語言模型（LLM）和各種類型的高性能傳感器。
適用于AMR的高性能傳感器
各有其優(yōu)缺點
AMR可使用不同類型的傳感器來偵測環(huán)境的狀況，這些傳感器需要同時定位和建圖（SLAM），并提供距離和深度測量。傳感器的重要指標包括物體檢測、物體識別、顏色識別、分辨率、功耗、尺寸、成本、范圍、動態(tài)范圍、速度，以及是否可以在各種照明和天氣條件下運行。
可用于AMR的傳感器模式包括CMOS成像、直接飛行時間（dToF）和間接飛行時間（iTOF）深度傳感、超聲波、雷達、感應定位、藍牙低功耗（藍牙LE）技術、慣性等，每種傳感器模式都各自有其優(yōu)點和缺點。
例如，雷達在弱光或惡劣天氣條件下可提供出色的范圍和速度，但顏色檢測能力較差、初始成本較高，且體積相對較大（這是AMR的一個重要考慮因素）。由于采用大批量的CMOS硅制造工藝，LiDAR的初始成本相對較低，并且在夜間／直射陽光下檢測效果很好，但在物體分類方面較差。另一方面，iToF深度傳感器具有出色的分辨率和低功耗處理能力。
顯然地，僅使用單一傳感器模式，將無法提供AMR應對上述所有挑戰(zhàn)所需的所有信息。根據(jù)應用和環(huán)境，AMR將需要幾種到多種傳感器模式。這些傳感器不會單獨運行，而是會在稱為傳感器融合的過程中共同發(fā)揮作用。
自主移動機器人如何實現(xiàn)傳感器融合
傳感器融合是結合兩個或多個數(shù)據(jù)源（來自傳感器和／或算法或模型）的過程，以更好地了解系統(tǒng)及其周圍環(huán)境。AMR中的傳感器融合至關重要，因為它提供了更好的可靠性、冗余性和最終的安全性，并使評估結果更加一致、更加準確、更加可靠。
傳感器融合結合了兩種功能，包括數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)解釋。傳感器融合中的“解釋數(shù)據(jù)”步驟需要實施算法或模型。有時傳感器融合的結果是為人類生活習慣而設計的，比如作為汽車的輔助幫手，有時它們是為了機器應用的進一步需求而設計的，比如安全系統(tǒng)中的面部識別。
傳感器融合具有多種優(yōu)勢，例如可減少信號噪聲。通過同質(zhì)傳感器融合可以減少不相關噪聲，而通過異構傳感器融合可以減少相關噪聲。由于其固有的性質(zhì)，傳感器融合通過冗余提高了可靠性。由于至少有兩個傳感器，如果一個傳感器的數(shù)據(jù)丟失，偵測的質(zhì)量就會降低，但由于還有其他傳感器的數(shù)據(jù)仍然可用，使其不致于完全失靈。傳感器融合還可用于估計未測量的狀態(tài)，例如當物體或物體的一部分被相機遮擋住而看不到時，以及當物體或表面將光從一個相機反射到另一個相機時，傳感器融合使偵測的性能仍具有一定的水平。
由于這些優(yōu)勢及市場的加速采用，傳感器融合出現(xiàn)了一些趨勢，包括可使用人工智能驅(qū)動的算法、增強的對象檢測和分類，并可結合用于協(xié)作感知的傳感器融合與多種傳感器模式，以及在不利條件下的環(huán)境感知，借助傳感器融合可實現(xiàn)360度環(huán)視，并可進行實時傳感器校準等功能。
提供傳感器融合的完整解決方案
AMR中的傳感器融合旨在對工業(yè)和運輸應用產(chǎn)生重大影響，在邁向工業(yè)5.0的過程中，安森美致力于提供傳感器和子系統(tǒng)，以確保其能夠有效實現(xiàn)。安森美的子系統(tǒng)解決方案也相當多樣，從堅固耐用的高分辨率成像系統(tǒng)到大功率電機控制，再到高效緊湊的電池充電解決方案，都是利用數(shù)十年為汽車行業(yè)服務的經(jīng)驗構建的。安森美的解決方案能夠共同確保開發(fā)工作變得更輕松，并使工業(yè)機器人具有足夠的適應性和可靠性，能夠在最惡劣的環(huán)境中行進。
自主移動機器人具有與自動駕駛汽車類似的功能，是由多個子系統(tǒng)組成的復雜設計，允許機器人以最少的人類交互安全地移動、觀察和操作。安森美通過可靠的智能電源和傳感解決方案最大限度地降低了這種復雜性，為您的設計提供了必要的構建模塊。
傳感器融合的核心是傳感器，如果從傳感器獲得的數(shù)據(jù)不好，那么就算使用最好的算法也不會產(chǎn)生高質(zhì)量的結果。幸運的是，安森美提供了一流的傳感器和工具庫來支持AMR中的傳感器融合。
安森美在智能傳感技術領域處于領先地位，安森美可提供各種卷簾快門和全局快門圖像傳感器的廣泛產(chǎn)品組合，在動態(tài)范圍和運動喚醒等創(chuàng)新功能方面具有行業(yè)領先的性能，可滿足從可穿戴設備和消費電子產(chǎn)品，到要求苛刻的工業(yè)和汽車應用的各種可能的最終應用的要求。
除了圖像傳感器之外，安森美還提供用于距離檢測（LiDAR）的SiPM。該產(chǎn)品組合包括超聲波傳感器、電感式傳感器和支持藍牙LE技術的微控制器，支持AoA（到達角）和AoD（出發(fā)角），可用于定位。
在此特別介紹NCV75215這款用于超聲波停車距離測量應用標準產(chǎn)品（ASSP），其可與壓電超聲波傳感器一起運行，以在車輛／AMR停車期間提供障礙物距離的飛行時間測量，其具備高靈敏度、低噪聲操作，允許對標準的75 mm桿進行0.25 m至4.5 m的檢測，實際的最小距離由混響的長度決定。在理想條件下，通過完美調(diào)諧和匹配的外部電路，可實現(xiàn)0.2 m的最小距離，實際檢測范圍取決于壓電超聲波換能器和外部模擬零件。
此器件通過變壓器以可編程頻率驅(qū)動超聲波換能器，接收到的回波被放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過濾波、偵測，并將振幅與存儲在內(nèi)部RAM中的時間相關閾值進行比較，到障礙物的距離則由從傳輸突發(fā)到回聲識別的時間來決定。內(nèi)置的雙向I/O線路可用于與主站（ECU）通信，主設備向NCV75215發(fā)出I/O線路命令，并通過同一線路報告資料。
結語
自主移動機器人有很多用例，而且它們的采用正在加速，已經(jīng)出現(xiàn)了一系列最佳實踐來支持這種快速采用。首先，必須控制環(huán)境以減少AMR可能遇到的潛在碰撞。在制造或倉庫設施中為AMR／自動導引車（AGV）指定路程就是這樣一個例子。其次，在開發(fā)過程中使用數(shù)字孿生來模擬確切的用例（包括極端情況）非常重要。最后，將傳感器融合與智能傳感器、算法和模型結合起來至關重要。安森美能夠提供傳感器融合的完整解決方案，包含結合圖像傳感器的高分辨率成像系統(tǒng)到大功率電機控制，再到高效緊湊的電池充電解決方案，能夠滿足AMR應用的各種需求，若有相關需求，請與艾睿電子或安森美聯(lián)系，以進一步取得相關的產(chǎn)品與應用信息。