在機(jī)器人的感知層，有眾多傳感檢測設(shè)備來支持其探測功能。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)，更多用于自動緊急制動（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。

（圖源：ADI）

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。

（圖源：ADI）

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)的一個重要優(yōu)勢是受環(huán)境條件影響較小，這個優(yōu)勢明顯地體現(xiàn)在室外移動機(jī)器人和黑燈自動化工廠中。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。

（圖源：TI）

上圖截取自TI搭載CMOS毫米波雷達(dá)的移動機(jī)器人障礙檢測測試視頻，其毫米波傳感器提供的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更密集，不僅提供了距離信息，還提供現(xiàn)場人員的相對速度信息，進(jìn)而根據(jù)接近程度和接近速度觸發(fā)機(jī)器人減速或停止。雖然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。

（圖源：TI）

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)的靈活度也是不錯的。

但毫米波雷達(dá)昂貴的成本與極多的分立組件也是個避不開的問題，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)。