感測器融合技術如何協助自主移動機器人導航再升級

自主移動機器人(AMR)可協助製造商提高生產效率、增強安全性並節省大量成本，因而在各行各業廣泛應用。 2022年全球AMR市場規模為86.5億美元，預計2022年至2028年間的複合年增長率(CAGR)將達到18.3%。

進入工業5.0時代，人類將與人工智慧(AI)機器人協同工作，機器人輔助而非取代人類。願景固然美好，但要實現這一目標，AMR必須克服重重挑戰，整合各種感測器以及新興的感測器融合技術將為此提供效益。

AMR採用過程中所面臨的挑戰

AMR普及的一大難題是其在多種不同應用和環境中的適應性。 AMR已廣泛應用於倉庫、農業技術、商業園林綠化、醫療保健、智慧零售、安防和監控、配送、庫存管理、揀選和分類等多個領域。在這些不同的環境中，AMR需要安全地與人類共處。
此外，複雜的情境也大大增加了AMR的工作難度。有些情況人類可以輕鬆應對，但對AMR而言卻並非易事。例如，假設送貨機器人在配送最後一個包裹的途中看到路中間有個球，它可能會成功識別這一障礙物並避免碰撞。但其智能化程度是否足以預判會有小孩跑出來撿球呢？類似這樣的複雜情境還有很多：AMR能否利用安裝在柱子上的90度反光鏡觀察彎道的交通狀況並做出預測？ AMR是否知道自己不能在新澆築的混凝土上行走？
人類很容易做出判斷，但機器人卻難以應付。然而，若配備了合適的感測器，AMR在強日光下偵測物體的能力可以超越人類。不過，澆築的混凝土和噴灑的液體仍然比較難以辨識。邊緣、懸崖、坡道和樓梯對於AMR來說都是挑戰。還有一些特殊情況，例如有人故意搞破壞，將AMR推翻，這也是早期開發逃逸機動系統的緣由。
要解決這些挑戰，需要在AI技術中採用先進的大型語言模型(LLM)和各類高效能感測器。

用于AMR的高性能传感器

AMR需要使用不同類型的感測器進行同步定位與地圖建構(SLAM)，並提供距離和深度測量。感測器的重要指標包括物件偵測、物件辨識、顏色辨識、解析度、功耗、尺寸、成本、範圍、動態範圍、速度以及在各種光照和天氣條件下的適應性。

可用於AMR的感測器模式包括：

• CMOS 成像直接飛行時間 (dToF) 和間接飛行時間 (iTOF) 深度感知
• 超音波
• 雷達
• 電感定位
• 低功耗藍牙®(Bluetooth LE) 技術
• 慣性
  

上述模式各有其優缺點。例如，雷達能在低光源或惡劣天氣條件下有效測量範圍和速度，但顏色偵測能力較差，初始成本高，且體積較大，而這在AMR設計中是一個重要考慮因素。雷射雷達採用大批量CMOS矽鑄造工藝，因此初始成本相對較低，且能夠在夜間/直射陽光下進行檢測，但在物體分類方面表現欠佳。同樣，iToF深度感測器具有出色的解析度和低功耗處理能力。
顯然，要為AMR提供全面的資訊以應對上述挑戰，僅靠單一的感測器模式無法滿足需求。根據應用和環境的不同，AMR需要使用多種感測器模式。這些感測器不會單獨運行，而是透過「感測器融合」共同發揮作用。

感測器融合是指將兩個或多個資料來源（來自感測器和/或演算法或模型）組合，以便更好地了解系統及其周圍環境。 AMR中的感測器融合不僅可以提升可靠性、冗餘度並最終確保安全性，還可以提高評估的一致性、準確性和可信度，是一項必不可少的技術。

感測器融合過程 出處: 安森美


在感測器融合中，「解釋資料」的步驟需要實作演算法或模型。有時感測器融合的結果直接為人類提供有用資訊（如倒車輔助），有時則供機器作進一步處理（如安防系統中的人臉辨識）。
感測器融合具有多種優勢，例如降低訊號雜訊。同質感測器融合可以降低非相關噪聲，而異構感測器融合可以降低相關噪音。
感測器融合本質上可透過冗餘來提高可靠性。感測器的數量至少有兩個，這意味著即使其中一個感測器的資料遺失，雖然資料品質降低，但係統仍可利用其他感測器提供的資料繼續工作。感測器融合也可用於預估無法直接測量的狀態，如遮蔽（當相機無法觀察到物體或物體的一部分時）和反射（當物體或表面將光線從一個相機反射到另一個攝影機）。

鑑於上述優勢，且隨著採用率日益增長，感測器融合領域已呈現以下趨勢：

• 採用 AI 驅動的演算法
• 增強物體檢測和分類能力
• 感測器融合用於實現協同感知
• 多種感測器模式
• 惡劣條件下的環境感知
• 感測器融合用於實現 360 度環視
• 即時感測器校準

感測器融合的核心在於感測器本身，如果取得的數據不理想，再好的演算法也無法產生高品質的結果。令人欣喜的是，安森美(onsemi)提供了一系列出色的感測器和工具，支援將感測器融合技術用於AMR中。

總結

自主移動機器人應用場景多樣，採用率加快提升。為順應趨勢，產業已形成了相關的最佳實踐。首先，對環境實施控制，以減少AMR可能遇到的潛在碰撞情形。例如，可以在製造設施或倉庫中為AMR/自動引導車輛(AGV)設定專門的路線。其次，在開發過程中使用數位孿生模擬實際使用情境（包括邊界工況）。最後，將感測器融合與智慧感測器、演算法和模型結合。

在智慧感知技術領域，安森美一直走在前面。安森美提供各類捲簾快門和全域快門影像感測器，具備優異的動態範圍性能，並配備運動喚醒等創新功能。除影像感測器外，安森美還提供用於距離偵測的SiPM（雷射雷達）。該產品組合包括超音波感測器、電感感測器和採用低功耗藍牙®技術的微控制器，後者支援可用於定位的AoA（到達角）和AoD（出發角）。

AMR中的感測器融合必將對工業和運輸應用邁向工業5.0的進程產生重大影響。