安森美圖像傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，市面上的機(jī)器人主要分為兩類：固定式機(jī)器人與移動(dòng)式機(jī)器人。固定式機(jī)器人固定于某個(gè)位置。而移動(dòng)式機(jī)器人，包括自主移動(dòng)機(jī)器人(AMR) 和自動(dòng)引導(dǎo)車輛 (AGV)，能夠在不同位置間移動(dòng)。機(jī)器人行業(yè)正呈現(xiàn)出諸多漸趨普及的發(fā)展態(tài)勢(shì)。其中，最為人熟知的是自動(dòng)送貨機(jī)器人、酒店服務(wù)機(jī)器人和餐廳服務(wù)員機(jī)器人。一旦消費(fèi)級(jí)機(jī)器人的價(jià)格降低，家用機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景將得到進(jìn)一步拓展，諸如家庭服務(wù)機(jī)器人和個(gè)人助理等。在機(jī)器人進(jìn)入家庭并與人類互動(dòng)之前，機(jī)器人制造商必須構(gòu)建妥善的系統(tǒng)，確保機(jī)器人能夠精準(zhǔn)、高效且安全的運(yùn)行。

這份白皮書將探討視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人，尤其是自主移動(dòng)機(jī)器人的重要意義。本文為第一篇，將介紹機(jī)器人分類與行業(yè)趨勢(shì)、AMR 技術(shù)概述等。

了解機(jī)器人與自動(dòng)化

過(guò)去十年間，自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)在全球范圍內(nèi)推動(dòng)了眾多行業(yè)的變革。這些創(chuàng)新成果顯著提升了許多傳統(tǒng)流程的安全性與效率。

移動(dòng)機(jī)器人（AMR 和 AGV）

移動(dòng)機(jī)器人可在不同地點(diǎn)間移動(dòng)來(lái)執(zhí)行任務(wù)。AMR 能自主地四處移動(dòng)，適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境。憑借這些特性，AMR 構(gòu)成了自動(dòng)自主移動(dòng)體系的基礎(chǔ)架構(gòu)，其他所有應(yīng)用均基于 AMR 架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。

以下是 AMR 在安防、醫(yī)療及酒店等領(lǐng)域的一些應(yīng)用示例：

工廠或倉(cāng)庫(kù)中的 AMR + 機(jī)械臂或叉車機(jī)器人

大學(xué)校園或城市中的送貨機(jī)器人

餐廳里的服務(wù)員機(jī)器人

停車場(chǎng)和建筑內(nèi)的安防機(jī)器人

醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的機(jī)器人

農(nóng)用協(xié)作機(jī)器人 (COBOT)

AGV 則需要外部導(dǎo)引，更適合固定環(huán)境。AGV 的應(yīng)用場(chǎng)景包括制造車間、庫(kù)存管理和裝配線作業(yè)等。

固定式機(jī)器人

固定式機(jī)器人雖不具備移動(dòng)能力，但仍需圖像傳感器以及 iTOF（間接飛行時(shí)間）技術(shù)來(lái)進(jìn)行深度檢測(cè)，尤其是在執(zhí)行物體抓取任務(wù)時(shí)。

機(jī)器人行業(yè)的增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素

機(jī)器人在各行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，主要源于以下三個(gè)關(guān)鍵因素：

生產(chǎn)力：機(jī)器人能夠長(zhǎng)時(shí)間不間斷地執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，且不會(huì)感到疲勞。

效率：AGV 和 AMR 能夠以極小的延遲執(zhí)行任務(wù)，這使得工作人員能夠?qū)Ｗ⒂诟吒郊又档娜蝿?wù)。

安全性：通過(guò)承擔(dān)危險(xiǎn)任務(wù)，機(jī)器人提高了工作場(chǎng)所和生產(chǎn)車間的安全性。

受這些因素的推動(dòng)，機(jī)器人市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì) 2024 至 2030 年，AMR 復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 約為 16%，增幅明顯。部分研究機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)甚至高達(dá) 20%。鑒于 AI 技術(shù)的迅猛發(fā)展，這樣的增長(zhǎng)預(yù)期具備現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

AMR 技術(shù)概述

在機(jī)器人行業(yè)中，AMR 展現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。與仍需一定程度導(dǎo)引的 AGV 相比，AMR 具備近乎完全的自主性，使其成為倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化、三維建圖以及自主導(dǎo)航等應(yīng)用的首選方案。AMR 無(wú)需外部導(dǎo)引，因其自主特性，具有動(dòng)態(tài)性并能適應(yīng)新環(huán)境。然而，為實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，AMR 需要借助同步定位與地圖構(gòu)建 (SLAM) 技術(shù)。通過(guò) SLAM 技術(shù)，機(jī)器人能夠構(gòu)建自身所處環(huán)境的地圖并確定自身位置。

SLAM 的傳感器要求

為實(shí)現(xiàn) SLAM，需要采用三維建圖技術(shù)，這能幫助機(jī)器人規(guī)劃路徑并避開障礙物。三維建圖主要有兩種方式：立體成像與深度傳感器。AMR 對(duì)傳感器在精確定位和建圖方面有一些要求。

在三維建圖過(guò)程中，通常采用間接飛行時(shí)間 (iToF) 傳感器或 LiDAR 來(lái)進(jìn)行深度感知，以確保機(jī)器人的自主性。該過(guò)程使 AMR 能夠識(shí)別包括人類在內(nèi)的物體，幫助其檢測(cè)危險(xiǎn)并避障。AMR 會(huì)配備專門的裝置來(lái)集成這些感知設(shè)備。

避障的傳感器要求

在避障方面，客戶所采用的架構(gòu)會(huì)因場(chǎng)景而異，例如遠(yuǎn)距離場(chǎng)景、高動(dòng)態(tài)范圍需求以及避免運(yùn)動(dòng)偽影的需求?等。因此，需要根據(jù)具體情況來(lái)選擇全局快門、卷簾快門、深度傳感或它們的組合方案。

讀碼的傳感器需求

在制造工廠和倉(cāng)庫(kù)中，對(duì)于配備讀碼器的 AMR 而言，執(zhí)行讀碼等任務(wù)需要具備全局快門和高速性能。此外，低功耗也是一項(xiàng)重要需求，這能保證 AMR 長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。

機(jī)器人領(lǐng)域的圖像傳感器技術(shù)

安森美（onsemi）持續(xù)為機(jī)器人應(yīng)用尤其是 AMR 應(yīng)用研發(fā)多種類型的圖像傳感器創(chuàng)新技術(shù)?。在支持深度感知方面，主要有兩種途徑：?立體成像?與 iToF。

卷簾快門與全局快門的比較

快門有兩種類型：卷簾快門和全局快門。二者的最大區(qū)別在于?是否會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。運(yùn)動(dòng)偽影是由卷簾快門和全局快門在曝光時(shí)間上的差異所導(dǎo)致的。

卷簾快門采用逐行曝光的方式，而全局快門則是同時(shí)對(duì)所有像素進(jìn)行曝光。因此，卷簾快門會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，而全局快門則不會(huì)，這就是為什么全局快門更適用于自主移動(dòng)的 AMR。

全局快門效率 (GSE) 用于衡量存儲(chǔ)單元中單個(gè)電荷抵御傾斜入射光干擾的能力?。傾斜入射光會(huì)降低快門效率，從而產(chǎn)生重影?。如果入射光進(jìn)入存儲(chǔ)單元，較低的 GSE 值會(huì)導(dǎo)致圖像呈現(xiàn)透明狀，就像出現(xiàn)了"鬼影"一樣，這是因?yàn)榇鎯?chǔ)單元中的電荷受到了直射光的影響而發(fā)生了改變。

為解決這一問(wèn)題，存儲(chǔ)隔離至關(guān)重要。全局快門在捕捉移動(dòng)物體時(shí)能夠有效避免運(yùn)動(dòng)偽影，但在減小像素尺寸?方面存在困難。卷簾快門則能夠?qū)崿F(xiàn)更小的像素尺寸和更高的靈敏度，并且其高動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于全局快門。具體選擇哪種快門，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)決定。

深度感知技術(shù)

以下三種技術(shù)可用于深度感知方案。

立體成像：立體成像技術(shù)通過(guò)使用兩個(gè)仿人眼布局的全局快門傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)深度感知。該系統(tǒng)通過(guò)從略有不同的視角捕捉圖像，分析重疊圖像之間的偏移量，從而測(cè)算與不同物體之間的距離，進(jìn)而構(gòu)建出詳細(xì)的深度圖。?

iToF：iToF（間接飛行時(shí)間）技術(shù)利用專門的芯片，通過(guò)分析發(fā)射激光與物體反射光之間的相位差來(lái)測(cè)量深度距離。這種相位差使系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)確定場(chǎng)景中各個(gè)點(diǎn)的距離?。而 dToF（直接飛行時(shí)間）技術(shù)則是測(cè)量發(fā)射光從發(fā)射到物體再返回的時(shí)間，其重點(diǎn)在于時(shí)間差而非相位差。?

LiDAR：光探測(cè)與測(cè)距 (LiDAR) 是一種先進(jìn)的感知技術(shù)，它利用激光來(lái)測(cè)量距離。通過(guò)分析反射的激光脈沖，LiDAR 系統(tǒng)能夠生成精確的三維環(huán)境地圖，其功能類似于 iToF。然而，與使用紅外光的 iToF 不同，LiDAR 使用激光脈沖，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的成像。盡管 LiDAR 具有更高的精度，但由于其成本較高，目前主要應(yīng)用于高端產(chǎn)品。?

未完待續(xù)，后續(xù)推文將繼續(xù)介紹安森美圖像傳感器等。