從第一次工業(yè)革命發(fā)明軋棉機(jī)和蒸汽機(jī)開(kāi)始,到第二次工業(yè)革命開(kāi)發(fā)出裝配線(xiàn),新技術(shù)的快速采用推動(dòng)著世界大步向前發(fā)展。
許多分析家認(rèn)為,在工業(yè)4.0和自主系統(tǒng)的推動(dòng)下,第四次工業(yè)革命已經(jīng)來(lái)臨。這一次工業(yè)革命推動(dòng)更高效地利用材料和人力資源,所以需要的支持技術(shù)也持續(xù)快速發(fā)展。
自動(dòng)化和自主行動(dòng)的機(jī)器人、車(chē)輛和無(wú)人機(jī)都與制造業(yè)、采礦業(yè)、農(nóng)業(yè)和物流進(jìn)程密切相關(guān),是推動(dòng)這場(chǎng)工業(yè)革命不斷發(fā)展的關(guān)鍵支柱。
為了達(dá)到自主式應(yīng)用預(yù)期的系統(tǒng)性能水平,設(shè)備不但需要感知其周?chē)沫h(huán)境,還要能夠進(jìn)行導(dǎo)航。它可以在傳感模式的幫助下實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),傳感模式的輸出由傳統(tǒng)算法、人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)的算法進(jìn)行融合和解譯。實(shí)現(xiàn)可靠性和可用性是最大的挑戰(zhàn),這需要并行使用多種傳感器技術(shù),以求最終能夠改善安全性、效率和靈活性并降低成本。
自主系統(tǒng)很大程度上以融合的傳感模塊所收集的高保真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從而為AI和算法提供依據(jù)。行業(yè)普遍采用的傳感器包括雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)、超聲波和慣性傳感器。下表著重介紹每種傳感器的優(yōu)點(diǎn)和局限性,強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中需要多個(gè)傳感器。
感知傳感:賦予機(jī)器視覺(jué)
工業(yè)4.0面臨著多種多樣的挑戰(zhàn)。在惡劣環(huán)境下,要使機(jī)械(機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等)在有限空間內(nèi)自主運(yùn)行,就需要雷達(dá)技術(shù),其占用的空間更小、更準(zhǔn)確且能夠測(cè)量附近的目標(biāo)。感知周?chē)鷧^(qū)域,形成圖像并進(jìn)行分類(lèi),這是實(shí)現(xiàn)高效率、生產(chǎn)力和安全性的關(guān)鍵。
在RF收發(fā)器IC技術(shù)最新發(fā)展的帶動(dòng)下,雷達(dá)正迅速成為感知應(yīng)用采用的重要傳感器技術(shù)之一。舉個(gè)例子,77 GHz全集成全數(shù)字收發(fā)器MMIC。將高速和線(xiàn)性FMCW線(xiàn)性調(diào)頻與高輸出功率、低噪聲發(fā)射和接收通道結(jié)合之后,MIMO天線(xiàn)陣列現(xiàn)在能夠幫助以合理成本,實(shí)現(xiàn)高性能、高分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)?;诶走_(dá)的數(shù)字波束成型技術(shù)能夠在惡劣環(huán)境條件下檢測(cè)徑向速度、角度和到多個(gè)目標(biāo)的距離,這是機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和AGV在動(dòng)態(tài)環(huán)境下安全有效交互的關(guān)鍵。
在工業(yè)環(huán)境中,自主系統(tǒng)的任務(wù)通常是定位和撿起物體,而不是安全地避開(kāi)。激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)和分類(lèi)對(duì)象,具備完成這些常見(jiàn)任務(wù)所需的精度。
激光雷達(dá)系統(tǒng)支持太赫工作頻率范圍,提供非常精細(xì)的角分辨率,可以轉(zhuǎn)化為高分辨率的深度圖。利用這些高分辨率的深度圖,激光雷達(dá)系統(tǒng)可以對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分類(lèi),與視覺(jué)、IMU和雷達(dá)信息結(jié)合,做出可靠的任務(wù)關(guān)鍵型決策。激光雷達(dá)系統(tǒng)主要用于動(dòng)態(tài)環(huán)境,例如陽(yáng)光明亮的戶(hù)外環(huán)境。通過(guò)使用波長(zhǎng)為9xx nm和15xx nm的窄脈沖,并以高功率驅(qū)動(dòng),激光雷達(dá)在這些富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境下能夠看得更遠(yuǎn)。此外,使用窄脈沖可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的深度分辨率,能夠在一個(gè)像素內(nèi)檢測(cè)多個(gè)目標(biāo),在9xx和15xx時(shí)紅外光的太陽(yáng)輻射也更低。
要推動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)得到廣泛采用,必須先克服諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括:復(fù)雜且昂貴的信號(hào)鏈、光學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題以及系統(tǒng)測(cè)試和校準(zhǔn)。目前的開(kāi)發(fā)正在嘗試整合這些信號(hào)鏈,以降低其復(fù)雜性、大小、功耗要求和總擁有成本。
導(dǎo)航感測(cè):賦予機(jī)器感覺(jué)
隨著傳感器在工業(yè)機(jī)器上的普及,它們所提供的數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富,其位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的重要性也越來(lái)越大。自主能力通常與移動(dòng)有關(guān),所以準(zhǔn)確定位車(chē)輛的位置,或引導(dǎo)機(jī)器的移動(dòng),或準(zhǔn)確地操控儀器儀表都是關(guān)鍵的推動(dòng)因素。如果技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)這些運(yùn)動(dòng),就可以被用在難度更大、更寶貴的應(yīng)用中,這些應(yīng)用也需要安全性和可靠性。例如,智能農(nóng)場(chǎng)需要不斷提高作物管理效率,將機(jī)器定位在幾厘米的誤差范圍之內(nèi),是節(jié)約投入和最大化產(chǎn)出的主要驅(qū)動(dòng)力。
實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的一種方法是利用GNSS定位服務(wù),這項(xiàng)服務(wù)無(wú)處不在,但容易受到信號(hào)中斷的影響。完全實(shí)現(xiàn)自主需要操作不受限制,不存在阻塞或暫時(shí)中斷風(fēng)險(xiǎn)。慣性傳感器提供一種補(bǔ)充的運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法,它不會(huì)受到干擾,也不需要外部基礎(chǔ)設(shè)施。所有三個(gè)軸上的線(xiàn)性和旋轉(zhuǎn)傳感器的組合通常組合成一個(gè)六自由度慣性測(cè)量單元(IMU)。IMU的輸出經(jīng)過(guò)附加處理,可以提供相對(duì)姿態(tài)、行進(jìn)方向和速度,最終提供所謂的航位推算制導(dǎo)。
實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度,或者10度指向角,需要用到特殊的慣性傳感器。即使在不錯(cuò)的環(huán)境中,消費(fèi)電子級(jí)IMU的輸出也會(huì)快速漂移。它們,無(wú)法從包括振動(dòng)和軸間交叉干擾等其他的誤差源中區(qū)分出”想要的”移動(dòng)。高性能慣性傳感器在1°/小時(shí)范圍內(nèi)具有很高的穩(wěn)定性,采用特殊的傳感器架構(gòu)來(lái)消除線(xiàn)性加速度誤差,并通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償溫度和校準(zhǔn)干擾。與GPS和感知傳感器相比,慣性傳感器以10×至100×的更高速率來(lái)準(zhǔn)確捕捉運(yùn)動(dòng),因此,最能夠取代非自主機(jī)器所依賴(lài)的人類(lèi)本能的動(dòng)作感應(yīng)。
本次工業(yè)革命的發(fā)展主要受為其提供支持的傳感技術(shù)(支持自主能力)的發(fā)展推動(dòng)。雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭能夠在短距離和長(zhǎng)距離范圍內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)象并進(jìn)行分類(lèi),讓自主式工業(yè)車(chē)輛能夠像人類(lèi)操作員一樣觀(guān)看周?chē)h(huán)境。此外,在為自主應(yīng)用提供“直覺(jué)”或航位推算導(dǎo)航時(shí),慣性技術(shù)非常關(guān)鍵。傳感器的精度越高,提供給人工智能的數(shù)據(jù)質(zhì)量就越高,這最終會(huì)帶來(lái)更安全、更高效的應(yīng)用。
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