在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，人形機(jī)器人正逐漸從科幻作品走進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活，在工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域嶄露頭角。為了能在復(fù)雜多變的環(huán)境中高效、安全地執(zhí)行任務(wù)，人形機(jī)器人需要具備精準(zhǔn)感知周圍世界的能力，這就要求它們配備復(fù)雜的傳感系統(tǒng)，其中，毫米波雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)以及多傳感器融合方案，正成為提升人形機(jī)器人性能的關(guān)鍵要素。

人形機(jī)器人的傳感需求

為了實(shí)現(xiàn)豐富多樣的功能，人形機(jī)器人需要模擬人類的感官系統(tǒng)。常見的傳感器類型包括視覺(jué)系統(tǒng)(攝像頭)、雷達(dá)和激光雷達(dá)(用于導(dǎo)航和感知)、觸覺(jué)傳感器(模擬觸控)以及聽覺(jué)系統(tǒng)(麥克風(fēng))，用以了解自身姿勢(shì)和平衡。每種傳感器

都有其獨(dú)的功能和局限性，例如攝像頭能捕捉豐富的視覺(jué)信息，但在深度感知、光線不足或探測(cè)非視覺(jué)元素時(shí)會(huì)力不從心;激光雷達(dá)雖能提供高精度的三維環(huán)境數(shù)據(jù)，可成本高昂且對(duì)惡劣天氣較為敏感。因此，綜合運(yùn)用多種傳感器，并通過(guò)有效的融合技術(shù)整合數(shù)據(jù)，成為提升人形機(jī)器人感知能力的必然選擇。

毫米波雷達(dá)的工作原理與優(yōu)勢(shì)

毫米波雷達(dá)工作在 30GHz 至 300GHz 的毫米波頻段，通過(guò)發(fā)射高頻電磁波，并接收目標(biāo)物體反射回來(lái)的回波，來(lái)檢測(cè)物體的距離、速度和角度等信息。其波長(zhǎng)在 1 毫米至 10 毫米之間，較短的波長(zhǎng)賦予了毫米波雷達(dá)諸多優(yōu)勢(shì)。

相比傳統(tǒng)雷達(dá)，毫米波雷達(dá)能夠提供更高的分辨率，能更精準(zhǔn)地識(shí)別和區(qū)分不同的目標(biāo)物體。在 60GHz 和 77GHz 頻段的雷達(dá)傳感器，分辨率和精度更是遠(yuǎn)超 24GHz 雷達(dá)傳感器，這使得人形機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中，能夠更清晰地感知周圍物體的細(xì)節(jié)，為后續(xù)決策提供可靠依據(jù)。例如，在工業(yè)場(chǎng)景中，機(jī)器人可以借助毫米波雷達(dá)精確檢測(cè)零部件的位置和形狀，完成高精度的裝配任務(wù)。

毫米波雷達(dá)的一大突出優(yōu)勢(shì)是對(duì)惡劣天氣和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。無(wú)論是在光線昏暗、濃霧彌漫，還是大雨傾盆、雪花紛飛的條件下，毫米波雷達(dá)都能穩(wěn)定工作。與之相比，攝像頭受光線變化影響顯著，在低光照或強(qiáng)光反射下，圖像質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重下降，甚至無(wú)法正常工作;激光雷達(dá)則對(duì)灰塵、水霧較為敏感，這些顆粒會(huì)散射激光，干擾測(cè)量結(jié)果。毫米波雷達(dá)憑借其電磁波特性，能夠有效穿透這些干擾，持續(xù)為機(jī)器人提供準(zhǔn)確的環(huán)境感知信息。

毫米波雷達(dá)具有較寬的探測(cè)距離和覆蓋范圍，一般能夠檢測(cè)到 100 米以外的物體，這對(duì)于需要在較大空間中活動(dòng)的人形機(jī)器人至關(guān)重要，使其提前感知遠(yuǎn)處的障礙物或目標(biāo)，及時(shí)規(guī)劃行動(dòng)路徑。同時(shí)，毫米波雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)極為靈敏，能夠精確測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度和方向，在機(jī)器人導(dǎo)航、避障以及與動(dòng)態(tài)環(huán)境交互過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，在人員流動(dòng)頻繁的公共空間，人形機(jī)器人可以利用毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)行人的運(yùn)動(dòng)軌跡，靈活調(diào)整自身行動(dòng)，避免碰撞。

傳感器融合技術(shù)

由于單一傳感器存在數(shù)據(jù)收集不完整或不準(zhǔn)確的問(wèn)題，難以滿足人形機(jī)器人在復(fù)雜多變環(huán)境中的感知需求，因此，傳感器融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器融合通過(guò)整合來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，為機(jī)器人提供更準(zhǔn)確、可靠和全面的環(huán)境認(rèn)知。

通過(guò)融合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，可以相互補(bǔ)充和校正，降低誤差，提高整體的測(cè)量精度。例如，將毫米波雷達(dá)的距離和速度測(cè)量數(shù)據(jù)與攝像頭的視覺(jué)信息相結(jié)合，能夠更精確地確定物體的位置和姿態(tài)。雷達(dá)可以提供準(zhǔn)確的距離和速度信息，而攝像頭則能識(shí)別物體的形狀和類別，兩者融合后，機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知精度得到大幅提升。

當(dāng)某一傳感器出現(xiàn)故障或受到干擾時(shí)，其他傳感器的數(shù)據(jù)仍可保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，確保機(jī)器人功能的正常發(fā)揮。例如，在戶外強(qiáng)光環(huán)境下，攝像頭可能因過(guò)曝而無(wú)法正常工作，但毫米波雷達(dá)依然能夠穩(wěn)定提供環(huán)境信息，使機(jī)器人不至于失去對(duì)周圍環(huán)境的感知，維持基本的行動(dòng)能力，等待攝像頭恢復(fù)正?；虿扇∑渌麘?yīng)對(duì)措施。

通過(guò)融合多種傳感模式的輸入，機(jī)器人可以從多個(gè)維度感知環(huán)境，獲取更豐富的信息，從而對(duì)周圍環(huán)境有更全面、深入的理解。這有助于機(jī)器人在復(fù)雜場(chǎng)景中做出更明智的決策，例如在不平坦的地形中，結(jié)合視覺(jué)、雷達(dá)和慣性傳感等多方面信息，機(jī)器人能夠更好地判斷地形狀況，規(guī)劃安全、高效的行走路徑，避免因局部信息缺失而導(dǎo)致摔倒或陷入困境。

傳感器融合能夠綜合多個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)環(huán)境變化，使機(jī)器人更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。例如，當(dāng)周圍有快速移動(dòng)的物體時(shí)，毫米波雷達(dá)能迅速檢測(cè)到其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，結(jié)合攝像頭對(duì)物體外觀特征的識(shí)別，機(jī)器人可以及時(shí)調(diào)整自身行為，做出合理的反應(yīng)，如避讓或跟隨。

毫米波雷達(dá)與攝像頭的融合方案

在眾多傳感器融合方案中，毫米波雷達(dá)與攝像頭的融合備受關(guān)注，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為機(jī)器人帶來(lái)更強(qiáng)大的感知能力。以德州儀器(TI)提供的解決方案為例，其推出的攝像頭和雷達(dá)傳感器模塊，包含 IMX219 攝像頭和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷達(dá)傳感器，采用了物體級(jí)融合方法。該方法分別對(duì)攝像頭的視覺(jué)處理鏈和雷達(dá)的處理鏈進(jìn)行優(yōu)化，注重物體的聚類和跟蹤。通過(guò)這種融合方式，用戶能夠讓機(jī)器人在三維環(huán)境中精準(zhǔn)地跟蹤和探測(cè)物體。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，比如智能家居服務(wù)機(jī)器人，當(dāng)它在室內(nèi)環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，攝像頭可以識(shí)別家具、人員等物體的外觀和位置，毫米波雷達(dá)則能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及與機(jī)器人之間的距離變化。當(dāng)機(jī)器人靠近障礙物時(shí)，毫米波雷達(dá)快速檢測(cè)到距離過(guò)近的危險(xiǎn)，攝像頭進(jìn)一步確認(rèn)障礙物的具體形狀和類別，二者融合的數(shù)據(jù)幫助機(jī)器人及時(shí)、準(zhǔn)確地規(guī)劃避讓路徑，安全地在室內(nèi)穿梭，為用戶提供服務(wù)。再如在工業(yè)巡檢場(chǎng)景中，機(jī)器人利用毫米波雷達(dá)遠(yuǎn)距離檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(如是否有部件異常振動(dòng)、位移等)，攝像頭則對(duì)設(shè)備的外觀細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝，識(shí)別可能存在的故障跡象(如表面磨損、裂紋等)，融合后的信息使機(jī)器人能夠全面評(píng)估設(shè)備狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并上報(bào)。

結(jié)語(yǔ)

毫米波雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)憑借其高分辨率、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性、遠(yuǎn)探測(cè)距離和高運(yùn)動(dòng)靈敏度等優(yōu)勢(shì)，在人形機(jī)器人的感知系統(tǒng)中扮演著重要角色。而傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用，則進(jìn)一步提升了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的感知能力，使其能夠更準(zhǔn)確、可靠地獲取環(huán)境信息，做出明智決策。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，毫米波雷達(dá)與其他傳感器的融合方案將不斷優(yōu)化，為人形機(jī)器人在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)邁向新的高度，在未來(lái)的智能生活和生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。