作者：Jeff Shepard

　　隨著人員和自主移動機器人 (AMR)(也稱為工業移動機器人 (IMR))在同一區域工作的情況不斷增加，必須解決多種固有安全風險。 AMR 的安全高效運行非常重要，不能依賴單一傳感器技術。

　　多傳感器融合，或簡稱“傳感器融合”，結合了激光測距 (LIDAR)、攝像頭、超聲波傳感器、激光障礙傳感器和射頻識別 (RFID) 等技術，支持一系列 AMR 功能，包括導航、路徑規劃、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 安全高效運行的需求，美國國家標準協會 (ANSI) 和自動化促進協會 (A3)(前身為機器人工業協會 (RIA))正在開發 ANSI/A3 R15.08 系列標準。 R15.08-1和R15.08-2已發布，重點關注基本安全要求并將AMR集成到站點中。 R15.08-3 目前正在開發中，將擴大 AMR 的安全要求，包括使用傳感器融合的更詳細建議。

　　為迎接 R15.08-3，本文回顧了當今 AMR 中與安全和傳感器融合相關的一些最佳實踐，首先簡要概述了 AMR 當前使用的功能安全要求，包括 IEC 61508、ISO 等通用工業安全標準13849 和 IEC 62061，以及感應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 設計，詳細介紹了眾多傳感器技術，介紹了代表性設備，并研究了它們如何支持導航、路徑規劃、定位、避免碰撞和庫存管理/物流支持。

　　好，更好，最好

　　AMR 設計人員需要考慮一系列安全標準，首先是通用功能安全標準，例如 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061。還有與感測人體存在相關的更具體的安全標準，例如 IEC 61496、IEC 62998 ，以及ANSI/A3 R15.08系列標準。

　　IEC 61496 為多種傳感器類型提供了指導。它參考了 IEC 62061，其中規定了機器電敏防護設備 (ESPE) 的設計、集成和驗證的要求并提出建議，包括安全完整性等級 (SIL);以及 ISO 13849，涵蓋了機械安全和安全相關的安全性。控制系統的各個部分，包括安全性能等級 (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，因為它包含有關實施傳感器融合、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的指南。

　　R15.08 第 3 部分發布后，可能會使 R15.08 系列成為最好的，因為它將增加 AMR 系統和 AMR 應用用戶的安全要求。可能的主題可能包括傳感器融合和更廣泛的 AMR 穩定性測試和驗證。

　　傳感器融合功能

　　繪制設施地圖是 AMR 調試的一個重要方面。但這不是一項一勞永逸的活動。它也是同步定位和建圖 (SLAM)(有時稱為同步定位和建圖)持續過程的一部分。這是不斷更新區域地圖以應對任何變化，同時跟蹤機器人位置的過程。

　　需要傳感器融合來支持 SLAM 并實現 AMR 的安全運行。并非所有傳感器在所有操作環境下都能同樣良好地工作，并且不同的傳感器技術會產生不同的數據類型。人工智能可用于傳感器融合系統，以結合有關本地操作環境的信息(是否有霧或煙霧、潮濕、環境光有多亮等)，并通過結合不同傳感器技術的輸出來獲得更有意義的結果。

　　傳感器元件可以按功能和技術進行分類。 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的慣性測量單元有助于測量運動并確定參考位置之間的范圍。

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

　　通信鏈路、計算處理器和物流傳感器(例如條碼掃描儀和射頻識別 (RFID) 設備)將 AMR 與設施范圍內的管理系統連接起來，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。

　　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。這些技術之間的差異使一種傳感器能夠彌補其他傳感器的弱點，從而提高性能和可靠性。

　　2D LiDAR 使用單個激光照明平面根據 X 和 Y 坐標識別物體。 3D LiDAR 使用多個激光束創建周圍環境的高度詳細的 3D 表示，稱為點云。兩種類型的激光雷達都相對不受環境光條件的影響，但要求被檢測的物體具有激光發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 紅外垂直腔表面發射激光 (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，可以支持多個同步 LiDAR 操作。該裝置的范圍可達 12 米，精度為厘米。

　　當需要 2D LiDAR 解決方案時，設計人員可以轉向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確檢測激光雷達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的條件的干擾。然而，超聲波傳感器對環境噪聲的干擾很敏感，其檢測范圍比激光雷達更有限。

　　Senix的TSPC-30S1-232等超聲波傳感器可以補充 LiDAR 和其他傳感器，以實現 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。該溫度補償超聲波傳感器的防護等級為 IP68，采用環境密封的不銹鋼外殼(圖 3)。

　　圖 3：環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離散傳感器。但在某些情況下，多個傳感器被共同封裝為一個單元。

　　三合一傳感器

　　使用一對攝像頭產生立體圖像的視覺感知加上基于人工智能和機器學習的圖像處理可以使 AMR 看到背景并識別附近的物體。可用的傳感器在一個單元中包括立體深度相機、單獨的彩色相機和 IMU。

　　立體深度攝像頭(例如英特爾實感D455 實感深度攝像頭) 使用由已知基線分隔開的兩個攝像頭來感測深度并計算到物體的距離。實現精度的關鍵之一是使用堅固的鋼框架，即使在苛刻的工業環境中，也能確保攝像機之間的精確間隔距離。深度感知算法的準確性取決于了解兩個相機之間的確切間距。

　　例如，型號82635DSD455MP深度相機已針對 AMR 和類似平臺進行了優化，并將相機之間的距離延長至 95 毫米(圖 4)。這使得深度計算算法能夠將 4 米處的估計誤差降低到 2% 以下。

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

　　D455 深度相機還包括一個單獨的彩色 (RGB) 相機。 RGB 相機上每秒高達 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關系，從而增強了了解周圍環境的能力。 D455 深度相機集成了具有六個自由度的 IMU，使深度計算算法能夠包含 AMR 的運動速率并生成動態深度感知估計。

　　燈光和聲音引導道路

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

　　燈光顏色、閃爍速度或聲音警報沒有標準。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 運營設施中的特定活動而制定的。燈條可帶或不帶內置聲音警報機制。例如，Banner Engineering的TLF100PDLBGYRAQP型號包括一個密封的發聲元件，具有 14 種可選音調和音量控制(圖 5)。

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

　　物流支持

　　AMR 作為大型運營的一部分運行，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 上的通信模塊與條形碼和 RFID 讀取器等傳感器相結合，使 AMR 能夠緊密地融合到企業系統中。

　　當需要條形碼閱讀器時，設計人員可以使用歐姆龍的V430-F000W12M-SRP ，它可以解碼標簽上的一維和二維條形碼或直接零件標記 (DPM) 條形碼。它包括可變距離自動對焦、寬視場鏡頭、1.2 兆像素傳感器、內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 應答器標簽。它還可以一次讀取最多 15 個標簽的唯一標識符 (UDI)，并且可以配置為使用內部或外部天線。它的工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C，適合在工業 4.0 制造和物流設施中使用。

　　結論

　　傳感器融合是支持 AMR 中的 SLAM 和安全性的重要工具。 R15.08-3 可能會包括對傳感器融合的參考以及更廣泛的 AMR 穩定性測試和驗證，本文回顧了在 AMR 中實現傳感器融合的一些當前標準和最佳實踐。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 4.0 運營中，以實現最大效益。