傳感器是怎么賦能工業(yè)革命的

從第一次工業(yè)革命發(fā)明軋棉機(jī)和蒸汽機(jī)開始，到第二次工業(yè)革命開發(fā)出裝配線，新技術(shù)的快速采用推動著世界大步向前發(fā)展。

許多分析家認(rèn)為，在工業(yè)4.0和自主系統(tǒng)的推動下，第四次工業(yè)革命已經(jīng)來臨。這一次工業(yè)革命推動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。

自動化和自主行動的機(jī)器人、車輛和無人機(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)，是推動這場工業(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圍的環(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、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

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)確且能夠測量附近的目標(biāo)。感知周圍區(qū)域，形成圖像并進(jìn)行分類，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。將高速和線性FMCW線性調(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)。基于雷達(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。激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地檢測和分類對象，具備完成這些常見任務(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)可以對檢測對象進(jìn)行分類，與視覺、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)主要用于動態(tài)環(huán)境，例如陽光明亮的戶外環(huán)境。通過使用波長為9xx nm和15xx nm的窄脈沖，并以高功率驅(qū)動，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)檢測多個(gè)目標(biāo)，在9xx和15xx時(shí)紅外光的太陽輻射也更低。

要推動激光雷達(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)雜且昂貴的信號鏈、光學(xué)設(shè)計(jì)問題以及系統(tǒng)測試和校準(zhǔn)。目前的開發(fā)正在嘗試整合這些信號鏈，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：賦予機(jī)器感覺

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)越來越豐富，其位置和相對運(yùn)動的重要性也越來越大。自主能力通常與移動有關(guān)，所以準(zhǔn)確定位車輛的位置，或引導(dǎo)機(jī)器的移動，或準(zhǔn)確地操控儀器儀表都是關(guān)鍵的推動因素。如果技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測這些運(yùn)動，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)無處不在，但容易受到信號中斷的影響。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)動測量方法，它不會受到干擾，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)六自由度慣性測量單元(IMU)。IMU的輸出經(jīng)過附加處理，可以提供相對姿態(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IMU的輸出也會快速漂移。它們，無法從包括振動和軸間交叉干擾等其他的誤差源中區(qū)分出”想要的”移動。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)來消除線性加速度誤差，并通過校準(zhǔn)來補(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×的更高速率來準(zhǔn)確捕捉運(yùn)動，因此，最能夠取代非自主機(jī)器所依賴的人類本能的動作感應(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。雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭能夠在短距離和長距離范圍內(nèi)準(zhǔn)確檢測對象并進(jìn)行分類，讓自主式工業(yè)車輛能夠像人類操作員一樣觀看周圍環(huán)境。此外，在為自主應(yīng)用提供“直覺”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，這最終會帶來更安全、更高效的應(yīng)用。