傳感器融合如何使 AMR 在工廠車間內高效移動

作者：Jeff Shepard

隨著人與自主移動機器人 (AMR)，也稱為工業移動機器人 (IMR) 在同一區域工作的情況越來越多，多種固有安全風險亟待解決。AMR 的安全高效運行非常重要，不能只依賴單一傳感器技術。

多傳感器融合，或簡稱“傳感器融合”，將激光測距 (LIDAR)、攝像頭、超聲波傳感器、激光障礙物傳感器和射頻識別 (RFID) 等技術結合起來，為一系列 AMR 功能提供支持，這些功能包括導航、路徑規劃、防撞、庫存管理和物流支持。傳感器融合還包括提醒附近的人注意 AMR 的存在。

為了滿足 AMR 安全高效運行的需求，美國國家標準協會 (ANSI) 和自動化推進協會 (A3)（前身為機器人工業協會 [RIA]）正在制定 ANSI/A3 R15.08 系列標準。R15.08-1 和 R15.08-2 已經發布，重點關注基本安全要求和 AMR 與現場的集成。R15.08-3 目前正在制定中，該標準將擴展 AMR 的安全要求，其中包括使用傳感器融合技術的更詳細建議。

為了迎接 R15.08-3 標準的到來，本文回顧了當今與 AMR 安全和傳感器融合相關的一些最佳實踐，首先簡要介紹了目前與使用 AMR 有關的功能安全要求，其中包括 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061 等通用工業安全標準，以及 IEC 61496 和 IEC 62998 等與感測人體存在有關的安全要求。然后介紹了典型的 AMR 設計，詳細說明了各種傳感器技術，展示了具有代表性的設備，并探討了這些設備如何為導航、路徑規劃、定位、防撞和庫存管理/物流支持等功能提供支持。

精益求精

AMR 設計人員需要考慮一系列安全標準，首先是 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061 等通用功能安全標準。此外，還要考慮與感測人體存在有關的特定安全標準，如 IEC 61496、IEC 62998 和 ANSI/A3 R15.08 系列標準。

IEC 61496 為多種傳感器類型提供了指導。該標準參考了 IEC 62061 和 ISO 13849，IEC 62061 規定了機器電敏保護設備 (ESPE) 的設計、集成和驗證要求，并提出了建議，其中包括安全完整性等級 (SIL)；ISO 13849 涵蓋了與機械安全和控制系統的安全相關部件有關的要求，其中包括安全性能等級 (PL)（表 1）。

| | 要求 | 類型 |
| ------------------------------------------ | ---------------- |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 安全性能符合 IEC 62061 和/或 ISO 13849-1 | 不適用 | SIL 1 和/或 PL c | SIL 2 和/或 PL d | SIL 3 和/或 PL e |
| SIL = 安全完整性等級；PL = 性能等級 |

表 1：IEC 61496 中規定的各類 ESPE 的安全要求。（表格來源：[Analog Devices]）

IEC 62998 較新，通常是更好的選擇，因為該標準包括與實施傳感器融合、在安全系統中使用人工智能 (AI)，以及使用安裝在 IEC 61496 覆蓋范圍之外的移動平臺上的傳感器有關的指導。

R15.08 第 3 部分發布后，可能會使 R15.08 系列成為最好的選擇，因為該系列將為 AMR 系統和 AMR 應用的用戶增加安全要求。相關主題可能包括傳感器融合和更廣泛的 AMR 穩定性測試和驗證。

傳感器融合功能

對設施進行地圖構建是 AMR 調試的一個重要方面。但這并非一勞永逸的活動，而是一個持續過程的一部分，該過程稱為即時定位與地圖構建 (SLAM)，有時也稱為同步定位與地圖構建。這是一個在跟蹤機器人位置的同時針對任何變化不斷更新區域地圖的過程。

為了支持 SLAM 并實現 AMR 的安全運行，就需要傳感器融合。并非所有傳感器在所有工作環境下都能發揮同樣的作用，不同的傳感器技術會產生不同的數據類型。在傳感器融合系統中，AI 可用于整合與當地工作環境有關的信息（是霧霾還是煙霧、濕度、環境光亮度等），還可以通過整合不同傳感器技術的輸出，獲得更有意義的結果。

傳感器元件可按功能和技術分類。AMR 中傳感器融合功能的示例包括（圖 1）：

• 距離傳感器，如車輪上的編碼器，以及使用陀螺儀和加速計的慣性測量裝置，借助這些裝置可測量運動和確定基準位置之間的距離。
• 三維 (3D) 攝像頭和 3D LiDAR 等圖像傳感器，用于識別和跟蹤附近物體。
• 通信鏈路、計算處理器和物流傳感器，如條碼掃描器和射頻識別 (RFID) 設備，這些設備可將 AMR 與整個設施的管理系統連接起來，并將外部傳感器的信息整合到 AMR 的傳感器融合系統中，以提高性能。
• 激光掃描儀和二維 (2D) LiDAR 等接近傳感器，用于檢測和跟蹤 AMR 附近的物體，包括人的運動。

圖 1：AMR 傳感器融合設計中使用的常見傳感器類型和相關系統元件的示例。（圖片來源：[Qualcomm]）

2D LiDAR、3D LiDAR 和超聲波

2D 和 3D LiDAR 以及超聲波是為 SLAM 和 AMR 安全提供支持的常見傳感器技術。這些技術之間的差異使得傳感器可以相互彌補不足，從而提高性能和可靠性。

2D LiDAR 使用單個激光照射平面，根據 X 和 Y 坐標識別物體。3D LiDAR 使用多個激光束創建周圍環境高度詳細的 3D 表示，稱為點云。這兩種類型的 LiDAR 不太容易受環境光條件的影響，但要求待檢測物體對激光器發射波長的反射率達到最低閾值。一般而言，在檢測低反射率物體方面，3D LiDAR 比 2D LiDAR 更加可靠。

[Seeed Technology]的 [HPS-3D160] 3D LiDAR 傳感器集成了高功率 850 nm 紅外垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 發射器和高感光 CMOS。嵌入式高性能處理器包括濾波和補償算法，支持多個 LiDAR 同步工作。該裝置的檢測距離可達 12 米，精度為厘米級。

需要 2D LiDAR 解決方案時，設計人員可以使用 [SICK] 的 TIM781S-2174104。該器件的孔徑角為 270 度，角度分辨率為 0.33 度，掃描頻率為 15 Hz。安全工作范圍為 5 米。

超聲波傳感器可準確檢測玻璃和吸光材料等透射物體，而 LiDAR 往往無法檢測到這些物體。超聲波傳感器也不易受多塵、煙霧、潮濕和其他可能對 LiDAR 產生干擾的條件的影響。但是，超聲波傳感器對環境噪聲的干擾很敏感，其檢測范圍可能比 LiDAR 更有限。

[Senix]的 [TSPC-30S1-232]等超聲波傳感器可與 LiDAR 和其他傳感器互補，實現 AMR SLAM 和安全性。該器件的最佳檢測范圍為 3 米，而上文所述的 2D LiDAR 為 5 米，3D LiDAR 為 12 米。這款溫度補償超聲波傳感器采用環境密封式不銹鋼外殼，防護等級為 IP68。

傳感器融合通常是指使用多種分立式傳感器。但在某些情況下，多個傳感器會共同封裝成一個裝置。

三合一傳感器

利用一對攝像頭生成立體圖像的視覺感知系統，再加上基于 AI 和 ML 的圖像處理技術，使得 AMR 能夠看到背景并識別附近物體。集立體深度攝像頭、獨立彩色攝像頭和 IMU 于一體的傳感器現已問世。

立體深度攝像頭（如 [Intel] RealSense [D455 RealSense深度攝像頭]）使用兩個通過已知基線分隔的攝像頭，用于檢測深度和計算與物體的距離。實現高精度的關鍵之一是使用穩固的鋼制框架，以確保攝像頭之間的間隔距離精確，即使在苛刻的工業環境中也是如此。深度感知算法的準確性取決于是否知道兩個攝像頭之間的精確間距。

例如，型號為 [82635DSD455MP] 的深度攝像頭已針對 AMR 和類似平臺進行了優化，同時還將攝像頭之間的距離延長至 95 mm。這使得深度計算算法能夠將 4 米范圍的估計誤差降低到 2% 以下。

D455 深度攝像頭還包括一個獨立彩色 (RGB) 攝像頭。RGB 攝像頭上的全局快門的幀率可達每秒 90 幀，與深度成像儀的視場 (FOV) 相匹配，從而提高彩色圖像與深度圖像之間的對應性，并增強了解周圍環境的能力。D455 深度攝像頭集成了一個具有六個自由度的 IMU，使得深度計算算法能夠包含 AMR 的運動速率，并得出動態深度感知估計值。

燈光和發聲

為 AMR 附近的人提供閃爍燈光和聲音警報對 AMR 安全非常重要。這些燈通常以燈塔或燈帶的形式出現在 AMR 的側面。它們可以幫助機器人向人們傳遞其預期動作相關的信息，還能顯示電池充電、裝載或卸載活動、轉到新方向的意圖（就像汽車上的轉向燈）、緊急狀況等狀態。

對于燈顏色、閃爍速度或聲音警報，沒有固定的標準。它們可能因 AMR 制造商而異，通常是為了反映 AMR 所在工作設施中的具體活動而開發。燈帶提供內置和未內置聲音警報機制兩種版本。例如，[Banner Engineering]的型號 [TLF100PDLBGYRAQP]包括一個密封的發聲元件，有 14 種音調可供選擇并配備音量控件。

物流支持

AMR 是大型企業系統的一環，通常需要與企業資源規劃 (ERP)、制造執行系統 (MES) 或倉庫管理系統 (WMS) 軟件集成。AMR 上的通信模塊與條碼讀取器和 RFID 讀取器等傳感器相結合，使得 AMR 能夠與企業系統緊密融合。

需要條碼讀取器時，設計人員可以使用 [Omron] 的 [V430-F000W12M-SRP]，該儀器可以對標簽上的一維和二維條碼或直接零件標記 (DPM) 條碼進行解碼。其包括可變距離自動對焦、廣角鏡頭、120 萬像素傳感器、內置照明燈和高速處理功能。

[DLP Design]的 [DLP-RFID2]是一款低成本的緊湊型模塊，用于讀寫高頻 (HF) RFID 應答器標簽。該模塊還能一次讀取多達 15 個標簽的唯一標識符 (UDI)，并且可配置為使用內部或外部天線。其工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C，適合在工業 4.0 制造和物流設施中使用。

總結

傳感器融合是為 SLAM 和 AMR 安全提供支持的重要工具。預計 R15.08-3 可能會提及傳感器融合以及更廣泛的 AMR 穩定性測試和驗證，本文回顧了在 AMR 中實施傳感器融合的一些現行標準和最佳實踐。本文是兩部分系列文章中的第二篇。[第一部分]回顧了如何安全高效地將 AMR 集成到工業 4.0 設施中以實現最大效益。

審核編輯 黃宇