智能移动机器人的视觉传感解决方案
随着智能制造与自动化物流的快速发展，自主移动机器人（AMR）和自动导引车（AGV）正逐渐成为现代工厂与仓储系统的重要核心设备。为了实现自主导航、环境感知与精准避障，视觉传感技术在机器人系统中的角色愈发关键。通过集成高分辨率图像传感器、深度视觉模块以及边缘人工智能算法，机器人能够实时辨识环境中的物体、路径与人员，进而提升运行安全性与任务效率。面对复杂多变的应用场景，本文将为您介绍如何结合先进的视觉传感硬件与高效能数据处理架构，以及由安森美（onsemi）所推出的视觉传感解决方案。
具备移动性、感知能力和连接能力的无人操控机器人
自主移动机器人（AMR）和自动导引车（AGV）属于无人操控的机器人，它们具备移动性、感知能力和连接能力，用于运输和移动各种重量和尺寸的货物，以及执行其他功能。这类机器人通常由电池供电，电压一般在12V到48V之间。根据其技术和预期用途，这些系统可以与人类进行不同程度的交互，从在人群周围安全运行到高度协作。
随着工业向工业5.0（制造业数字化转型的下一阶段）迈进，对人机交互和机器人技术改进的需求日益增长。相关的智能机器人种类繁多，从机械臂到轮式自主配送机器人，再到完全行走的人形机器人，类型可说是应有尽有。智能机器人与传统工业机器人的区别在于，它们利用多种传感器、人工智能和先进算法与环境交互、检测障碍物并与人类和其他机器协作。
部署自主机器人的优势包括提高生产效率，它们可以执行重复性或耗时的任务，从而使工人能够专注于增值活动。在负载较轻的情况下，该系统可以使用12V电池供电；而使用更高电压（例如48V）则可以降低工作电流，从而减小电线尺寸并降低成本。目前，智能机器人的主要应用场景是仓库和生产工厂等受控环境，但户外作业的趋势也日益增长。
得益于人工智能（AI）技术的进步，全球智能机器人市场正经历着显着扩张。人工智能的进步使得构建更复杂的自主机器人成为可能，这些机器人不仅可以部署在仓库中，还可以部署在户外和控制程度较低的环境中。自主机器人领域为电子商务、制造业、医疗保健等多个行业提供解决方案，并且可以高度定制化。
尽管协作机器人等现有解决方案预计将在2023年至2030年间以32%的复合年增长率（CAGR）增长，但还有许多新的、创新的、更复杂的应用场景正在涌现。预计自动驾驶叉车将在未来几年引领电子商务领域的市场增长。其他成熟的机器人类型包括仓库机器人（预计在2023年至2030年间以19%的复合年增长率增长）和配送机器人（预计增长30.3%）。
当前热门的工业5.0应用，又称第五次工业革命，是工业化进程中一个新兴阶段，在这个阶段，人类将与先进的人工智能机器人协同工作。这一新阶段建立在工业4.0的基础上，并得益于信息技术的发展，例如人工智能、自动化、大数据分析、物联网（IoT）、机器学习和机器人技术。
工业5.0的主要优势在于创造高价值就业机会，通过自动化管理制造流程，人类员工可以将更多时间投入到创造力、高效的业务解决方案和增值任务中。这提高了生产力和员工积极性。对可持续性和韧性的日益重视，意味着企业可以变得更加敏捷灵活，同时也能对社会产生积极影响。工业5.0正在制造业、医疗保健、教育、农业等众多领域得到发展。
可精确计算距离的间接飞行时间视觉传感应用
安森美针对智能移动机器人应用开发了相当完整的解决方案，该机器人系统由多个相互连接的子模块组成。主要子模块包括电池管理、运动控制、传感和CPU。子模块的解决方案高度依赖于应用场景，例如，仅在室内工作的机器人需要的传感器较少，而带有机械臂的机器人则需要更多的电机逆变器。限于篇幅，本文将把重点放在视觉传感的解决方案进行介绍。
间接飞行时间（iTOF）是视觉传感应用的重要技术，iTOF技术通过测量调制光脉冲的相位偏移来精确计算距离。该方法能够实现精确的三维成像和深度感知，使其成为各种工业应用的理想选择。这些传感器可以独立使用，也可以与其他深度传感技术结合使用，以提高数据精度。在机器人系统中，它们可用于计算机械臂抓取和操作物体所需的深度。另一个潜在应用是创建环境地图，用于地面导航。
安森美的Hyperlux ID深度iToF传感器凭借其先进的深度感知能力，旨在增强机器视觉应用，其探测距离可达其他iToF解决方案的10倍。它们具有多项优势，首先它们提供较高的深度精度，这对于需要精确3D映像和目标检测的任务至关重要。其次，它们能够以高帧率运行，确保在动态环境中可靠运行，轻松捕捉快速移动的物体。此外，这些传感器针对低功耗进行了优化，使其适用于电池供电和多传感器系统。
Hyperlux ID深度iToF传感器在低光照和高动态范围等严苛条件下仍能保持稳健的性能，确保在各种工业环境中可靠运行。这使其成为提升机器视觉应用效率、精度和安全性的理想之选。
深度计算需要包括FPGA或MCU、帧存储器、高速接口（适用于大于100万像素的传感器）等资源，可直接从传感器输出深度图，可使用更少的外部器件，并具有更低的计算量和功耗与更宽松的接口速度。
专为卓越的深度感知和成像而设计的图像传感器
以安森美图像传感器AF013X系列为例，AF013X智能iToF 120万像素CMOS传感器系列是专为卓越的深度感知和成像而设计，这些传感器采用1/3.2英寸光学格式和BSI CMOS全局快门技术，其中包括一款120万像素CMOS智能iToF传感器，该传感器采用先进的3.5 µm像素堆叠式BSI技术，具有出色的低光照和环境旋光性能，在850 nm和940 nm波长处增强的近红外响应（量子效率 > 40%），以及用于增加深度范围的双激光操作与激光眼部安全监控功能。
Hyperlux ID深度iToF传感器的主要特性包括高精度，可提供精确的距离测量，对于需要精确3D测绘和物体检测的任务至关重要。此外，还可提供高帧率，能够捕捉快速移动的物体（60 – 100 fps），确保在动态环境中可靠运行，并具有低功耗，针对能源效率进行了优化，使其适用于电池供电和多传感器系统。
另一方面，Hyperlux ID深度iToF传感器在严苛条件下表现出色，可在低光照和高动态范围环境下均具有优异的表现，确保在各种工业环境中可靠运行。其片上双激光驱动器控制和调制频率高达200 MHz，提供精确可靠的深度测量，并具备片上激光眼部安全阈值，确保在所有环境下安全运行。
AF0130传感器配备片上深度处理ASIC，可从激光调制曝光中高速计算深度、置信度和强度图，这使其成为需要快速、精确深度数据的应用的理想选择。AF0131传感器则拥有同样的高性能，但缺少片上深度处理功能。该版本非常适合那些希望在片外进行深度计算的解决方案，并能灵活满足定制化处理需求。
安森美并提供AF0130评估套件 ―― AF0130CSSM30SMKAH3-GEVK，其采用安森美创新的iToF传感器，配备120万像素1/3英寸背照式（BSI）全局快门，并与激光驱动板配合使用，可对垂直腔面发射激光器（VCSEL）的调制设置进行编程，以实现照明。该传感器板可与Demo3评估板连接，并使用安森美广受欢迎的DevSuite软件进行系统配置，该软件提供全面的设置界面和灵活的功能，可用于评估传感器的特性和性能。
支持检测或图像识别的机器视觉和立体视觉解决方案
光学传感器可用于深度感知、方向感知，或为机器人提供其他功能，例如检测或图像识别。机器人的不同子系统中可能包含多个图像传感器（IS）和IS处理器，它是唯一能够检测颜色的传感解决方案，利用光学传感器，系统能够检测障碍物，提高安全性，或读取信息（例如，条形码信息）。
全局快门图像传感器可同时存储整个图像的像素数据，因此不会出现运动伪影，当需要清晰图像时非常有用，例如，当机器人移动并需要尽可能清晰的图像时。卷帘快门传感器则具有更高的动态范围，因此在光照条件较差或变化的情况下也能更好地工作。图像传感器还可以集成高动态范围（HDR）技术，这有助于在对比度较高的情况下获得更清晰的图像，HDR对于光照不受控制的应用至关重要。
机器视觉赋予机器“看”和理解视觉世界的能力，它利用摄像头和图像处理软件从图像和视频中提取信息，使机器能够执行需要人类视觉检查的任务。安森美推出多款图像传感器系列，像是AR0234CS图像传感器是采用1/2.6英寸230万像素的CMOS数字图像传感器，具有1920x1200有效像素阵列，拥有领先的全局快门效率，以及出色的低光照和红外性能，支持自动曝光、窗口化、行／列跳跃模式。
另一款AR0822图像传感器则采用1/1.8英寸800万像素CMOS数字图像传感器，具有3840x2160有效像素阵列，支持卷帘快门，增强的近红外响应，拥有板载eHDR功能，具有高灵敏度，低读取噪声，并支持智能线性化，可减少运动伪影和LED闪烁。
结语
视觉传感技术已成为智能移动机器人实现高阶自主能力的重要基础，通过集成高性能图像传感器、深度传感技术与边缘人工智能运算平台，机器人不仅能够实时感知周围环境，还能进行精准的定位、导航与物体辨识，进一步提升整体运作效率与安全性。随着人工智能算法、图像处理芯片与传感器技术的不断进步，安森美的视觉传感解决方案可提供绝佳的分辨率、更低延迟与更低功耗，将可为智能制造、物流仓储与服务型机器人等领域的智能移动机器人，提供持续创新，以及为产业升级提供关键支撑。
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