作者：Jeff Shepard

　　随着人员和自主移动机器人 (AMR)(也称为工业移动机器人 (IMR))在同一区域工作的情况不断增加，必须解决多种固有安全风险。 AMR 的安全高效运行非常重要，不能依赖单一传感器技术。

　　多传感器融合，或简称“传感器融合”，结合了激光测距 (LIDAR)、摄像头、超声波传感器、激光障碍传感器和射频识别 (RFID) 等技术，支持一系列 AMR 功能，包括导航、路径规划、避免碰撞、库存管理和物流支持。传感器融合还包括提醒附近的人 AMR 的存在。

　　为了满足 AMR 安全高效运行的需求，美国国家标准协会 (ANSI) 和自动化促进协会 (A3)(前身为机器人工业协会 (RIA))正在开发 ANSI/A3 R15.08 系列标准。 R15.08-1和R15.08-2已发布，重点关注基本安全要求并将AMR集成到站点中。 R15.08-3 目前正在开发中，将扩大 AMR 的安全要求，包括使用传感器融合的更详细建议。

　　为迎接 R15.08-3，本文回顾了当今 AMR 中与安全和传感器融合相关的一些最佳实践，首先简要概述了 AMR 当前使用的功能安全要求，包括 IEC 61508、ISO 等通用工业安全标准13849 和 IEC 62061，以及感应人体存在的安全要求，如 IEC 61496 和 IEC 62998。然后，它介绍了典型的 AMR 设计，详细介绍了众多传感器技术，介绍了代表性设备，并研究了它们如何支持导航、路径规划、定位、避免碰撞和库存管理/物流支持。

　　好，更好，最好

　　AMR 设计人员需要考虑一系列安全标准，首先是通用功能安全标准，例如 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 62061。还有与感测人体存在相关的更具体的安全标准，例如 IEC 61496、IEC 62998 ，以及ANSI/A3 R15.08系列标准。

　　IEC 61496 为多种传感器类型提供了指导。它参考了 IEC 62061，其中规定了机器电敏防护设备 (ESPE) 的设计、集成和验证的要求并提出建议，包括安全完整性等级 (SIL);以及 ISO 13849，涵盖了机械安全和安全相关的安全性。控制系统的各个部分，包括安全性能等级 (PL)(表 1)。

　　表 1：IEC 61496 中指定类型的 ESPE 安全要求。(表来源：Analog Devices)

　　IEC 62998 较新，通常是更好的选择，因为它包含有关实施传感器融合、在安全系统中使用人工智能 (AI) 以及使用安装在 IEC 61496 覆盖范围之外的移动平台上的传感器的指南。

　　R15.08 第 3 部分发布后，可能会使 R15.08 系列成为最好的，因为它将增加 AMR 系统和 AMR 应用用户的安全要求。可能的主题可能包括传感器融合和更广泛的 AMR 稳定性测试和验证。

　　传感器融合功能

　　绘制设施地图是 AMR 调试的一个重要方面。但这不是一项一劳永逸的活动。它也是同步定位和建图 (SLAM)(有时称为同步定位和建图)持续过程的一部分。这是不断更新区域地图以应对任何变化，同时跟踪机器人位置的过程。

　　需要传感器融合来支持 SLAM 并实现 AMR 的安全运行。并非所有传感器在所有操作环境下都能同样良好地工作，并且不同的传感器技术会产生不同的数据类型。人工智能可用于传感器融合系统，以结合有关本地操作环境的信息(是否有雾或烟雾、潮湿、环境光有多亮等)，并通过结合不同传感器技术的输出来获得更有意义的结果。

　　传感器元件可以按功能和技术进行分类。 AMR 中的传感器融合功能示例包括(图 1)：

　　距离传感器(例如车轮上的编码器)以及使用陀螺仪和加速度计的惯性测量单元有助于测量运动并确定参考位置之间的范围。

　　三维 (3D) 相机和 3D LiDAR 等图像传感器用于识别和跟踪附近的物体。

　　通信链路、计算处理器和物流传感器(例如条码扫描仪和射频识别 (RFID) 设备)将 AMR 与设施范围内的管理系统连接起来，并将来自外部传感器的信息集成到 AMR 的传感器融合系统中，以提高性能。

　　激光扫描仪和二维 (2D) LiDAR 等接近传感器可检测和跟踪 AMR 附近的物体，包括人员的移动。

　　图 1：AMR 传感器融合设计中使用的常见传感器类型和相关系统元件示例。 (图片来源：高通)

　　2D LiDAR、3D LiDAR 和超声波

　　2D 和 3D LiDAR 以及超声波是支持 AMR 中的 SLAM 和安全性的常见传感器技术。这些技术之间的差异使一种传感器能够弥补其他传感器的弱点，从而提高性能和可靠性。

　　2D LiDAR 使用单个激光照明平面根据 X 和 Y 坐标识别物体。 3D LiDAR 使用多个激光束创建周围环境的高度详细的 3D 表示，称为点云。两种类型的激光雷达都相对不受环境光条件的影响，但要求被检测的物体具有激光发射波长的反射率的最小阈值。一般来说，3D LiDAR 可以比 2D LiDAR 更可靠地检测低反射率物体。

　　Seeed Technology的HPS -3D160 3D LiDAR 传感器集成了高功率 850 nm 红外垂直腔表面发射激光 (VCSEL) 发射器和高感光 CMOS。嵌入式高性能处理器包括滤波和补偿算法，可以支持多个同步 LiDAR 操作。该装置的范围可达 12 米，精度为厘米。

　　当需要 2D LiDAR 解决方案时，设计人员可以转向SICK 的TIM781S-2174104 。它的孔径角为 270 度，角分辨率为 0.33 度，扫描频率为 15 Hz。它的安全相关工作范围为 5 米(图 2)。

　　图 2：该 2D LiDAR 传感器的孔径角为 270 度。 (图片来源：SICK)

　　超声波传感器可以准确检测激光雷达无法始终看到的透射物体，例如玻璃和吸光材料。超声波传感器也不易受到高灰尘、烟雾、湿度和其他可能破坏激光雷达的条件的干扰。然而，超声波传感器对环境噪声的干扰很敏感，其检测范围比激光雷达更有限。

　　Senix的TSPC-30S1-232等超声波传感器可以补充 LiDAR 和其他传感器，以实现 AMR SLAM 和安全性。它的最佳范围为 3 米，而上述 2D LiDAR 的最佳范围为 5 米，3D LiDAR 的最佳范围为 12 米。该温度补偿超声波传感器的防护等级为 IP68，采用环境密封的不锈钢外壳(图 3)。

　　图 3：环境密封超声波传感器，最佳范围为 3 米。 (图片来源：DigiKey)

　　传感器融合通常是指使用多个离散传感器。但在某些情况下，多个传感器被共同封装为一个单元。

　　三合一传感器

　　使用一对摄像头产生立体图像的视觉感知加上基于人工智能和机器学习的图像处理可以使 AMR 看到背景并识别附近的物体。可用的传感器在一个单元中包括立体深度相机、单独的彩色相机和 IMU。

　　立体深度摄像头(例如英特尔实感D455 实感深度摄像头) 使用由已知基线分隔开的两个摄像头来感测深度并计算到物体的距离。实现精度的关键之一是使用坚固的钢框架，即使在苛刻的工业环境中，也能确保摄像机之间的精确间隔距离。深度感知算法的准确性取决于了解两个相机之间的确切间距。

　　例如，型号82635DSD455MP深度相机已针对 AMR 和类似平台进行了优化，并将相机之间的距离延长至 95 毫米(图 4)。这使得深度计算算法能够将 4 米处的估计误差降低到 2% 以下。

　　图 4：该模块包括间隔 95 毫米的立体深度摄像头、一个单独的彩色摄像头和一个 IMU。 (图片来源：DigiKey)

　　D455 深度相机还包括一个单独的彩色 (RGB) 相机。 RGB 相机上每秒高达 90 帧的全局快门与深度成像仪视场 (FOV) 相匹配，改善了颜色和深度图像之间的对应关系，从而增强了了解周围环境的能力。 D455 深度相机集成了具有六个自由度的 IMU，使深度计算算法能够包含 AMR 的运动速率并生成动态深度感知估计。

　　灯光和声音引导道路

　　针对 AMR 附近人员的闪烁灯光和声音警报对于 AMR 安全非常重要。灯通常以灯塔或灯带的形式位于 AMR 两侧。它们帮助机器人向人们传达其预期的动作。它们还可以指示电池充电、装卸活动、转向新方向的意图(如汽车上的转向灯)、紧急情况等状态。

　　灯光颜色、闪烁速度或声音警报没有标准。它们在 AMR 制造商之间可能有所不同，并且通常是为了反映 AMR 运营设施中的特定活动而制定的。灯条可带或不带内置声音警报机制。例如，Banner Engineering的TLF100PDLBGYRAQP型号包括一个密封的发声元件，具有 14 种可选音调和音量控制(图 5)。

　　图 5：该灯条信号器包括一个密封的发声元件(顶部黑色圆圈)。 (图片来源：DigiKey)

　　物流支持

　　AMR 作为大型运营的一部分运行，通常需要与企业资源规划 (ERP)、制造执行系统 (MES) 或仓库管理系统 (WMS) 软件集成。 AMR 上的通信模块与条形码和 RFID 读取器等传感器相结合，使 AMR 能够紧密地融合到企业系统中。

　　当需要条形码阅读器时，设计人员可以使用欧姆龙的V430-F000W12M-SRP ，它可以解码标签上的一维和二维条形码或直接零件标记 (DPM) 条形码。它包括可变距离自动对焦、宽视场镜头、1.2 兆像素传感器、内置光源和高速处理功能。

　　DLP Design的DLP -RFID2是一款低成本、紧凑型模块，用于读取和写入高频 (HF) RFID 应答器标签。它还可以一次读取最多 15 个标签的唯一标识符 (UDI)，并且可以配置为使用内部或外部天线。它的工作温度范围为 0°C 至 +70°C，适合在工业 4.0 制造和物流设施中使用。

　　结论

　　传感器融合是支持 AMR 中的 SLAM 和安全性的重要工具。 R15.08-3 可能会包括对传感器融合的参考以及更广泛的 AMR 稳定性测试和验证，本文回顾了在 AMR 中实现传感器融合的一些当前标准和最佳实践。这是由两部分组成的系列中的第二篇文章。第一部分 回顾了如何将 AMR 安全高效地集成到工业 4.0 运营中，以实现最大效益。