作者：Jeff Shepard

　　隨著人員和自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)(也稱為工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人 (IMR))在同一區(qū)域工作的情況不斷增加，必須解決多種固有安全風(fēng)險(xiǎn)。 AMR 的安全高效運(yùn)行非常重要，不能依賴單一傳感器技術(shù)。

　　多傳感器融合，或簡稱“傳感器融合”，結(jié)合了激光測距 (LIDAR)、攝像頭、超聲波傳感器、激光障礙傳感器和射頻識(shí)別 (RFID) 等技術(shù)，支持一系列 AMR 功能，包括導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、避免碰撞、庫存管理和物流支持。傳感器融合還包括提醒附近的人 AMR 的存在。

　　為了滿足 AMR 安全高效運(yùn)行的需求，美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ANSI) 和自動(dòng)化促進(jìn)協(xié)會(huì) (A3)(前身為機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì) (RIA))正在開發(fā) ANSI/A3 R15.08 系列標(biāo)準(zhǔn)。 R15.08-1和R15.08-2已發(fā)布，重點(diǎn)關(guān)注基本安全要求并將AMR集成到站點(diǎn)中。 R15.08-3 目前正在開發(fā)中，將擴(kuò)大 AMR 的安全要求，包括使用傳感器融合的更詳細(xì)建議。

　　為迎接 R15.08-3，本文回顧了當(dāng)今 AMR 中與安全和傳感器融合相關(guān)的一些最佳實(shí)踐，首先簡要概述了 AMR 當(dāng)前使用的功能安全要求，包括 IEC 61508、ISO 等通用工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)13849 和 IEC 62061，以及感應(yīng)人體存在的安全要求，如 IEC 61496 和 IEC 62998。然后，它介紹了典型的 AMR 設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了眾多傳感器技術(shù)，介紹了代表性設(shè)備，并研究了它們?nèi)绾沃С謱?dǎo)航、路徑規(guī)劃、定位、避免碰撞和庫存管理/物流支持。

　　好，更好，最好

　　AMR 設(shè)計(jì)人員需要考慮一系列安全標(biāo)準(zhǔn)，首先是通用功能安全標(biāo)準(zhǔn)，例如 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061。還有與感測人體存在相關(guān)的更具體的安全標(biāo)準(zhǔn)，例如 IEC 61496、IEC 62998 ，以及ANSI/A3 R15.08系列標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEC 61496 為多種傳感器類型提供了指導(dǎo)。它參考了 IEC 62061，其中規(guī)定了機(jī)器電敏防護(hù)設(shè)備 (ESPE) 的設(shè)計(jì)、集成和驗(yàn)證的要求并提出建議，包括安全完整性等級(jí) (SIL);以及 ISO 13849，涵蓋了機(jī)械安全和安全相關(guān)的安全性?？刂葡到y(tǒng)的各個(gè)部分，包括安全性能等級(jí) (PL)(表 1)。

　　表 1：IEC 61496 中指定類型的 ESPE 安全要求。(表來源：Analog Devices)

　　IEC 62998 較新，通常是更好的選擇，因?yàn)樗嘘P(guān)實(shí)施傳感器融合、在安全系統(tǒng)中使用人工智能 (AI) 以及使用安裝在 IEC 61496 覆蓋范圍之外的移動(dòng)平臺(tái)上的傳感器的指南。

　　R15.08 第 3 部分發(fā)布后，可能會(huì)使 R15.08 系列成為最好的，因?yàn)樗鼘⒃黾?AMR 系統(tǒng)和 AMR 應(yīng)用用戶的安全要求。可能的主題可能包括傳感器融合和更廣泛的 AMR 穩(wěn)定性測試和驗(yàn)證。

　　傳感器融合功能

　　繪制設(shè)施地圖是 AMR 調(diào)試的一個(gè)重要方面。但這不是一項(xiàng)一勞永逸的活動(dòng)。它也是同步定位和建圖 (SLAM)(有時(shí)稱為同步定位和建圖)持續(xù)過程的一部分。這是不斷更新區(qū)域地圖以應(yīng)對任何變化，同時(shí)跟蹤機(jī)器人位置的過程。

　　需要傳感器融合來支持 SLAM 并實(shí)現(xiàn) AMR 的安全運(yùn)行。并非所有傳感器在所有操作環(huán)境下都能同樣良好地工作，并且不同的傳感器技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)類型。人工智能可用于傳感器融合系統(tǒng)，以結(jié)合有關(guān)本地操作環(huán)境的信息(是否有霧或煙霧、潮濕、環(huán)境光有多亮等)，并通過結(jié)合不同傳感器技術(shù)的輸出來獲得更有意義的結(jié)果。

　　傳感器元件可以按功能和技術(shù)進(jìn)行分類。 AMR 中的傳感器融合功能示例包括(圖 1)：

　　距離傳感器(例如車輪上的編碼器)以及使用陀螺儀和加速度計(jì)的慣性測量單元有助于測量運(yùn)動(dòng)并確定參考位置之間的范圍。

　　三維 (3D) 相機(jī)和 3D LiDAR 等圖像傳感器用于識(shí)別和跟蹤附近的物體。

　　通信鏈路、計(jì)算處理器和物流傳感器(例如條碼掃描儀和射頻識(shí)別 (RFID) 設(shè)備)將 AMR 與設(shè)施范圍內(nèi)的管理系統(tǒng)連接起來，并將來自外部傳感器的信息集成到 AMR 的傳感器融合系統(tǒng)中，以提高性能。

　　激光掃描儀和二維 (2D) LiDAR 等接近傳感器可檢測和跟蹤 AMR 附近的物體，包括人員的移動(dòng)。

　　圖 1：AMR 傳感器融合設(shè)計(jì)中使用的常見傳感器類型和相關(guān)系統(tǒng)元件示例。 (圖片來源：高通)

　　2D LiDAR、3D LiDAR 和超聲波

　　2D 和 3D LiDAR 以及超聲波是支持 AMR 中的 SLAM 和安全性的常見傳感器技術(shù)。這些技術(shù)之間的差異使一種傳感器能夠彌補(bǔ)其他傳感器的弱點(diǎn)，從而提高性能和可靠性。

　　2D LiDAR 使用單個(gè)激光照明平面根據(jù) X 和 Y 坐標(biāo)識(shí)別物體。 3D LiDAR 使用多個(gè)激光束創(chuàng)建周圍環(huán)境的高度詳細(xì)的 3D 表示，稱為點(diǎn)云。兩種類型的激光雷達(dá)都相對不受環(huán)境光條件的影響，但要求被檢測的物體具有激光發(fā)射波長的反射率的最小閾值。一般來說，3D LiDAR 可以比 2D LiDAR 更可靠地檢測低反射率物體。

　　Seeed Technology的HPS -3D160 3D LiDAR 傳感器集成了高功率 850 nm 紅外垂直腔表面發(fā)射激光 (VCSEL) 發(fā)射器和高感光 CMOS。嵌入式高性能處理器包括濾波和補(bǔ)償算法，可以支持多個(gè)同步 LiDAR 操作。該裝置的范圍可達(dá) 12 米，精度為厘米。

　　當(dāng)需要 2D LiDAR 解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向SICK 的TIM781S-2174104 。它的孔徑角為 270 度，角分辨率為 0.33 度，掃描頻率為 15 Hz。它的安全相關(guān)工作范圍為 5 米(圖 2)。

　　圖 2：該 2D LiDAR 傳感器的孔徑角為 270 度。 (圖片來源：SICK)

　　超聲波傳感器可以準(zhǔn)確檢測激光雷達(dá)無法始終看到的透射物體，例如玻璃和吸光材料。超聲波傳感器也不易受到高灰塵、煙霧、濕度和其他可能破壞激光雷達(dá)的條件的干擾。然而，超聲波傳感器對環(huán)境噪聲的干擾很敏感，其檢測范圍比激光雷達(dá)更有限。

　　Senix的TSPC-30S1-232等超聲波傳感器可以補(bǔ)充 LiDAR 和其他傳感器，以實(shí)現(xiàn) AMR SLAM 和安全性。它的最佳范圍為 3 米，而上述 2D LiDAR 的最佳范圍為 5 米，3D LiDAR 的最佳范圍為 12 米。該溫度補(bǔ)償超聲波傳感器的防護(hù)等級(jí)為 IP68，采用環(huán)境密封的不銹鋼外殼(圖 3)。

　　圖 3：環(huán)境密封超聲波傳感器，最佳范圍為 3 米。 (圖片來源：DigiKey)

　　傳感器融合通常是指使用多個(gè)離散傳感器。但在某些情況下，多個(gè)傳感器被共同封裝為一個(gè)單元。

　　三合一傳感器

　　使用一對攝像頭產(chǎn)生立體圖像的視覺感知加上基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像處理可以使 AMR 看到背景并識(shí)別附近的物體?？捎玫膫鞲衅髟谝粋€(gè)單元中包括立體深度相機(jī)、單獨(dú)的彩色相機(jī)和 IMU。

　　立體深度攝像頭(例如英特爾實(shí)感D455 實(shí)感深度攝像頭) 使用由已知基線分隔開的兩個(gè)攝像頭來感測深度并計(jì)算到物體的距離。實(shí)現(xiàn)精度的關(guān)鍵之一是使用堅(jiān)固的鋼框架，即使在苛刻的工業(yè)環(huán)境中，也能確保攝像機(jī)之間的精確間隔距離。深度感知算法的準(zhǔn)確性取決于了解兩個(gè)相機(jī)之間的確切間距。

　　例如，型號(hào)82635DSD455MP深度相機(jī)已針對 AMR 和類似平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化，并將相機(jī)之間的距離延長至 95 毫米(圖 4)。這使得深度計(jì)算算法能夠?qū)?4 米處的估計(jì)誤差降低到 2% 以下。

　　圖 4：該模塊包括間隔 95 毫米的立體深度攝像頭、一個(gè)單獨(dú)的彩色攝像頭和一個(gè) IMU。 (圖片來源：DigiKey)

　　D455 深度相機(jī)還包括一個(gè)單獨(dú)的彩色 (RGB) 相機(jī)。 RGB 相機(jī)上每秒高達(dá) 90 幀的全局快門與深度成像儀視場 (FOV) 相匹配，改善了顏色和深度圖像之間的對應(yīng)關(guān)系，從而增強(qiáng)了了解周圍環(huán)境的能力。 D455 深度相機(jī)集成了具有六個(gè)自由度的 IMU，使深度計(jì)算算法能夠包含 AMR 的運(yùn)動(dòng)速率并生成動(dòng)態(tài)深度感知估計(jì)。

　　燈光和聲音引導(dǎo)道路

　　針對 AMR 附近人員的閃爍燈光和聲音警報(bào)對于 AMR 安全非常重要。燈通常以燈塔或燈帶的形式位于 AMR 兩側(cè)。它們幫助機(jī)器人向人們傳達(dá)其預(yù)期的動(dòng)作。它們還可以指示電池充電、裝卸活動(dòng)、轉(zhuǎn)向新方向的意圖(如汽車上的轉(zhuǎn)向燈)、緊急情況等狀態(tài)。

　　燈光顏色、閃爍速度或聲音警報(bào)沒有標(biāo)準(zhǔn)。它們在 AMR 制造商之間可能有所不同，并且通常是為了反映 AMR 運(yùn)營設(shè)施中的特定活動(dòng)而制定的。燈條可帶或不帶內(nèi)置聲音警報(bào)機(jī)制。例如，Banner Engineering的TLF100PDLBGYRAQP型號(hào)包括一個(gè)密封的發(fā)聲元件，具有 14 種可選音調(diào)和音量控制(圖 5)。

　　圖 5：該燈條信號(hào)器包括一個(gè)密封的發(fā)聲元件(頂部黑色圓圈)。 (圖片來源：DigiKey)

　　物流支持

　　AMR 作為大型運(yùn)營的一部分運(yùn)行，通常需要與企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 或倉庫管理系統(tǒng) (WMS) 軟件集成。 AMR 上的通信模塊與條形碼和 RFID 讀取器等傳感器相結(jié)合，使 AMR 能夠緊密地融合到企業(yè)系統(tǒng)中。

　　當(dāng)需要條形碼閱讀器時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用歐姆龍的V430-F000W12M-SRP ，它可以解碼標(biāo)簽上的一維和二維條形碼或直接零件標(biāo)記 (DPM) 條形碼。它包括可變距離自動(dòng)對焦、寬視場鏡頭、1.2 兆像素傳感器、內(nèi)置光源和高速處理功能。

　　DLP Design的DLP -RFID2是一款低成本、緊湊型模塊，用于讀取和寫入高頻 (HF) RFID 應(yīng)答器標(biāo)簽。它還可以一次讀取最多 15 個(gè)標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)符 (UDI)，并且可以配置為使用內(nèi)部或外部天線。它的工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C，適合在工業(yè) 4.0 制造和物流設(shè)施中使用。

　　結(jié)論

　　傳感器融合是支持 AMR 中的 SLAM 和安全性的重要工具。 R15.08-3 可能會(huì)包括對傳感器融合的參考以及更廣泛的 AMR 穩(wěn)定性測試和驗(yàn)證，本文回顧了在 AMR 中實(shí)現(xiàn)傳感器融合的一些當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐。這是由兩部分組成的系列中的第二篇文章。第一部分 回顧了如何將 AMR 安全高效地集成到工業(yè) 4.0 運(yùn)營中，以實(shí)現(xiàn)最大效益。