雷達(dá)在機(jī)器人中的應(yīng)用已經(jīng)有很久的歷史了，從最初固定式的AGV開始到現(xiàn)在各樣式可移動(dòng)機(jī)器人，雷達(dá)技術(shù)作為成本和性能兼顧的感知手段，在物體探測、物體跟蹤、定位和地圖繪制功能上已經(jīng)足夠成熟并且適用性極廣，是工業(yè)自動(dòng)化中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。短程雷達(dá)(SRR)傳感器，可滿足盲區(qū)監(jiān)測等汽車應(yīng)用要求，而中遠(yuǎn)程雷達(dá)，更多用于自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)和自適應(yīng)巡航控制(ACC)。在機(jī)器人應(yīng)用中，中遠(yuǎn)程雷達(dá)更為常見。
隨著機(jī)器人領(lǐng)域?qū)走_(dá)技術(shù)的使用越來越多，目前，24GHz和77GHz雷達(dá)系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域都有不少的應(yīng)用，大有分庭抗禮之勢。不論兩種頻帶的雷達(dá)系統(tǒng)競爭得如何激烈，對任何雷達(dá)系統(tǒng)來說，優(yōu)秀的發(fā)射相位噪聲都是必須的，這是擴(kuò)大傳感器有效范圍與精度的首要條件。那這兩種頻帶的雷達(dá)技術(shù)在機(jī)器人應(yīng)用上各自有何特色，該如何抉擇?
摒棄傳統(tǒng)24GHz?不!
在77GHz毫米波雷達(dá)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用后，摒棄傳統(tǒng)24GHz雷達(dá)在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用這種說法就開始流行起來。誠然，77GHz毫米波雷達(dá)在諸多方面都有著勝過24GHz雷達(dá)的性能(諸如帶寬、分辨率、精度等等)，但是傳統(tǒng)的24GHz雷達(dá)競爭力并沒有想象中那么弱。
24GHz頻帶包括了24.0GHz到24.25GHz范圍內(nèi)的工業(yè)、科技和醫(yī)療頻帶，也就是常說的窄帶，其帶寬為250MHz(還包括帶寬為5GHz的UWB)。這個(gè)頻帶的雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，已經(jīng)極為成熟。目前，在24GHz的雷達(dá)系統(tǒng)上，高集成的信號鏈設(shè)計(jì)已經(jīng)是家常便飯了，從放大器、混頻器、PLL、集成變送器到接收器以及 VCO 到轉(zhuǎn)換器和雷達(dá)模塊，整個(gè)設(shè)計(jì)不僅靈活而且功能齊全，給予了雷達(dá)前端空間設(shè)計(jì)提供了充足的靈活性。
目前領(lǐng)先的24GHz雷達(dá)芯片組已經(jīng)做到了變頻器10 dB噪聲系數(shù)性能，已經(jīng)接近毫米波雷達(dá)的噪聲系數(shù)了，卓越的低噪聲性能可以為雷達(dá)系統(tǒng)帶來更高的能效。能效在24GHz這個(gè)成熟的市場里是各廠商比拼的重點(diǎn)。為了提高芯片組能效，多頻道結(jié)構(gòu)接收機(jī)高頻設(shè)計(jì)也是一種辦法，它允許波束賦形實(shí)現(xiàn)角分辨率以此來提高能效。
不考慮運(yùn)行在系統(tǒng)處理器的雷達(dá)檢測算法優(yōu)劣的情況下，芯片組數(shù)字信號處理的能力決定了雷達(dá)檢測前方目標(biāo)速度、距離和位置的精準(zhǔn)度，這很考驗(yàn)器件的RF與ADC的性能。在目前領(lǐng)先的雷達(dá)芯片組中，RF的設(shè)計(jì)可謂是十分亮眼，不僅性能優(yōu)異而且線路走線極省空間，還不需要外部匹配無源元件。這一類成熟芯片組對于功耗管理也是錙銖必較，以4通道接收同時(shí)開啟為例，領(lǐng)先的廠商能做到550mW的超低功耗。
在24GHz雷達(dá)系統(tǒng)能覆蓋需求的機(jī)器人應(yīng)用下，24GHz雷達(dá)系統(tǒng)是成本和能效性價(jià)比最高的選擇，單純從性能對比摒棄24GHz雷達(dá)系統(tǒng)，在機(jī)器人應(yīng)用里是得不償失的做法。
77GHz毫米波雷達(dá)瞄準(zhǔn)了更高階的機(jī)器人傳感應(yīng)用
毫米波雷達(dá)傳感算是機(jī)器人感知里一項(xiàng)相對較新的技術(shù)。與傳統(tǒng)的視覺和激光雷達(dá)的傳感器相比，毫米波雷達(dá)的一個(gè)重要優(yōu)勢是受環(huán)境條件影響較小，這個(gè)優(yōu)勢明顯地體現(xiàn)在室外移動(dòng)機(jī)器人和黑燈自動(dòng)化工廠中。在使用傳統(tǒng)傳感機(jī)器人常常丟失定位的場景中，毫米波雷達(dá)的加入會明顯改善此類情況。
而與24GHz雷達(dá)相比，77GHz的頻帶在前端遠(yuǎn)程雷達(dá)應(yīng)用上無疑是壓倒性的優(yōu)勢，單單其高精度和高分辨率就能對檢測物體做出更密集的點(diǎn)云檢測。收集到的點(diǎn)信息密度可提供高保真度，這種清晰的“可視化”對于移動(dòng)機(jī)器人來說是非常重要的數(shù)據(jù)，能夠確保它們的自主性。
24GHz雷達(dá)也能做到很好的障礙檢測，但是對于視覺的輔助則沒有運(yùn)用毫米波雷達(dá)優(yōu)勢明顯(見下圖)，毫米波雷達(dá)能更好地結(jié)合視覺與AI軟硬件，補(bǔ)足機(jī)器人更高階的智能移動(dòng)。
毫米波雷達(dá)更高的射頻頻率也減小了傳感器尺寸，對于相同的波束寬度，更高的射頻頻率支持更小的傳感器并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)緊湊的芯片組設(shè)計(jì)。目前市面上毫米波雷達(dá)已經(jīng)做到在超小封裝中實(shí)現(xiàn)出色的集成度，PLL、發(fā)送器、接收器、基帶和 ADC都能緊湊地集成在收發(fā)器中，給予雷達(dá)前端空間設(shè)計(jì)的靈活度也是不錯(cuò)的。
但毫米波雷達(dá)昂貴的成本與極多的分立組件也是個(gè)避不開的問題，領(lǐng)先的毫米波雷達(dá)廠商是將射頻、處理和內(nèi)存資源集成到一個(gè)單片CMOS芯片上，這樣才讓器件在成本和尺寸上不至于讓人難以接受。否則，這種對傳感性能帶來革命性提升的雷達(dá)也很難在機(jī)器人應(yīng)用上大面積鋪開。
寫在最后
機(jī)器人的感知層面從來都不是單一傳感就能完全覆蓋，不同的傳感技術(shù)結(jié)合起來才能取得最佳效果。即便是同為雷達(dá)傳感的二者也是如此。毫米波雷達(dá)優(yōu)秀的感知能力與魯棒性注定了它會在高階的智能感知智能移動(dòng)上大展身手，大大提高機(jī)器人的智能化操作。在毫米波雷達(dá)強(qiáng)大的性能面前，傳統(tǒng)的24GHz雷達(dá)傳感也在相當(dāng)多機(jī)器人場景中發(fā)揮著它成熟且實(shí)用的作用。機(jī)器人多種傳感的結(jié)合與合適的應(yīng)用才能加快機(jī)器人的智能化演進(jìn)。
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