細(xì)數(shù)工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)的創(chuàng)新
發(fā)布時(shí)間： 2019-06-14發(fā)布者： 瀏覽量： 1500
從上世紀(jì)40年代以來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化出現(xiàn)了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是在過(guò)去的一兩年甚至5年，在工業(yè)4.0的大背景下，整個(gè)工業(yè)市場(chǎng)出現(xiàn)了加速演變，例如無(wú)人工廠。
日前，在德州儀器舉辦的媒體見(jiàn)面會(huì)上，德州儀器處理器業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人Sameer Wasson和德州儀器中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻（Paul Ng）探討了在工業(yè)自動(dòng)化加速的情況下需要采用什么樣的技術(shù)和解決什么困境。涉及三個(gè)議題：處理器在工業(yè)領(lǐng)域的當(dāng)前機(jī)遇；通過(guò)先進(jìn)集成，工廠變得越來(lái)越智能；機(jī)器人技術(shù)的演變。
Wasson指出，首先，在很多工業(yè)應(yīng)用里需要有通用平臺(tái)來(lái)解決問(wèn)題。“有很多工業(yè)應(yīng)用很分散，應(yīng)用情景又不同，用不同的平臺(tái)去做研發(fā)設(shè)計(jì)會(huì)很花時(shí)間，而且沒(méi)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用?！彼忉屨f(shuō)。而如果能為研發(fā)提供統(tǒng)一的平臺(tái)，那么久可以讓研發(fā)成本、人員、功能、功耗等都可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。再就是保密性和平臺(tái)性能的需求。
現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化的及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最終目的可能是要在工廠里做到員工越少越好，甚至做無(wú)人工廠。這就需要提高自動(dòng)化的程度。在安全保密方面也很重要。很多設(shè)備原來(lái)都是獨(dú)立，現(xiàn)在則是互聯(lián)互通。在這種情況下，如果沒(méi)有保密，一旦系統(tǒng)遭到破解，可能帶來(lái)很大災(zāi)難。另外，要做無(wú)人工廠，也未必沒(méi)有人，哪怕有一個(gè)員工在里面，自動(dòng)化也需要有安全性，以保證員工不會(huì)受到傷害。
用統(tǒng)一平臺(tái)去設(shè)計(jì)不同設(shè)備時(shí)，所需的性能越來(lái)越高。“現(xiàn)在有很多人用云端服務(wù)器去幫助做運(yùn)算功能，很多工業(yè)應(yīng)用也在往云端推。但工業(yè)控制很多是實(shí)時(shí)控制，判斷和控制需要很快速地響應(yīng)。在這種情況下，云端服務(wù)器不一定是個(gè)很好的解決方案。”Wasson指出，這樣在工廠里就需要有強(qiáng)大的平臺(tái)，來(lái)做實(shí)時(shí)處理。也就是說(shuō)，在數(shù)據(jù)的收集和處理部分，邊緣運(yùn)算越來(lái)越重要，包括AI和實(shí)時(shí)控制等。越來(lái)越多的工廠以前可能用MCU，現(xiàn)在可能要用高性能的ARM處理器去解決。一方面在本地做運(yùn)算，一方面有很多數(shù)據(jù)需要傳到云端，因此需要將本地運(yùn)算和云服務(wù)整合在一起。云端連接又涉及有線/無(wú)線傳送、服務(wù)器連接和用網(wǎng)關(guān)連接等。這在工業(yè)里也是個(gè)很大的方向。
在工業(yè)自動(dòng)化方面，越來(lái)越多的設(shè)備，包括機(jī)器人，需要互聯(lián)互通。工業(yè)自動(dòng)化里需要用到很多傳感器，而不僅是簡(jiǎn)單的溫濕度，還要有距離、激光雷達(dá)等。傳感應(yīng)用需要把數(shù)據(jù)傳到處理器去做實(shí)時(shí)判斷。邊緣運(yùn)算又包括AI和實(shí)時(shí)控制。最后，與一般的IoT應(yīng)用一樣，工業(yè)傳感器需要做到低成本，要具備確定性。機(jī)器需要根據(jù)傳感器所給信息去做判斷，若數(shù)據(jù)傳送不對(duì)，或是沒(méi)有傳數(shù)據(jù)，都有可能對(duì)工廠造成很大影響。
“舉例來(lái)說(shuō)，我們可能用多足機(jī)器人去做農(nóng)業(yè)應(yīng)用。機(jī)器人里有很多電機(jī)，腳踝上需要有傳感器。當(dāng)它在不同田地里走時(shí)，需要將數(shù)據(jù)傳送回去，以便實(shí)時(shí)判斷在不平路上怎么走才不會(huì)摔倒。在很多場(chǎng)合，我們都能看到類似要求。”他補(bǔ)充說(shuō)。
綜合來(lái)說(shuō)，對(duì)于工業(yè)4.0來(lái)說(shuō)，控制、傳感和通信三者是核心。除此之外，還要做到安全和保密，要為之提供電源，以及保護(hù)和隔離。
工業(yè)用通信和一般的通信不一樣。一般的通信有4G、5G、WiFi和藍(lán)牙等，這些在工業(yè)里確實(shí)也有需求，但是在工業(yè)里很多邊緣設(shè)備需要實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)通信，因此需要采用Ethercat、Profibus等。工業(yè)4.0設(shè)備需要有通信能力，而很多大工廠買的設(shè)備都來(lái)自不同公司，互聯(lián)互通就需要有標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證。
另外像智能部分，AI更有可能是分布式的?！耙簿褪敲總€(gè)設(shè)備都有一定AI能力，這就是分布式智能?！彼忉屨f(shuō)。時(shí)間掌控也非常敏感，而新的TSN協(xié)議可滿足高實(shí)時(shí)性要求。“TSN對(duì)所有通信協(xié)議都支持，比如最老的CAN、較新的Ethercat。這樣就可以實(shí)現(xiàn)過(guò)渡的問(wèn)題，可用來(lái)幫助做網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)?！彼俅谓忉屨f(shuō)。工業(yè)4.0是個(gè)過(guò)程，不可能一蹴而就。老設(shè)備和新設(shè)備怎么做好互聯(lián)，是需要解決的問(wèn)題。
從整個(gè)工廠來(lái)說(shuō)，會(huì)越來(lái)越多從系統(tǒng)去考慮。不管是PLC、CNC機(jī)床，還是簡(jiǎn)單的電機(jī)控制、機(jī)器手臂，都需要互聯(lián)互通。這就需要有相對(duì)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)處理器和網(wǎng)關(guān)處理器。這就有可能用到TI的Sitara處理器。“有可能是ARM單核或多核，也有可能是ARM+DSP。在這樣的處理器里面，我們有AM6x系列的產(chǎn)品，很適合做工業(yè)傳感、工業(yè)通信和工業(yè)控制，包括安全性?！彼榻B說(shuō)，“剛才也談到，在智能設(shè)備里要去考慮周邊人員的人生安全，這需要符合工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，比如IEC61508。從低端、終端到高端，DSP和ARM都有，我們可以提供這樣一個(gè)平臺(tái)給客戶。”
在工廠里，需要有更智能的部分，有更多的問(wèn)題需要去考慮。“比如機(jī)器本身需要去做自我判斷——以前是人判斷，現(xiàn)在無(wú)人——這需要做到實(shí)時(shí)，到底是往前走、停止，還是加速，需要邊緣運(yùn)算。”吳健鴻補(bǔ)充說(shuō)，“在傳感部分，比如自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）在工廠里走來(lái)走去，它需要去檢測(cè)物體，避開(kāi)人體，需要用到從汽車上擴(kuò)展到工廠中的先進(jìn)技術(shù)，比如雷達(dá)?！?br />
Sitara AM6x處理器有很多不同應(yīng)用，包括工業(yè)機(jī)器人、一體性機(jī)器人，用一個(gè)CPU去做多足機(jī)器人等。另外，在工控機(jī)（IPC）方面，除了x86平臺(tái)外，有很多人也希望有Arm平臺(tái)可供選擇。另外，其在航空設(shè)備的控制器、邊緣設(shè)備、工廠保護(hù)、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療監(jiān)控等方面都有應(yīng)用。
距離檢測(cè)是工業(yè)自動(dòng)化里的一個(gè)熱門(mén)技術(shù)。有很多不同技術(shù)可使用，但在速度快、距離遠(yuǎn)、精度好方面，毫米波雷達(dá)是最好。汽車?yán)锼煤撩撞ɡ走_(dá)以77GHz為主，但是不同國(guó)家和地區(qū)有不同標(biāo)準(zhǔn)。為了避免與汽車應(yīng)用相互干擾，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般采用60GHz頻率。吳健鴻介紹說(shuō)，精準(zhǔn)邊緣運(yùn)算需要精準(zhǔn)傳感。TI針對(duì)工業(yè)應(yīng)用推出的新的60GHz CMOS雷達(dá)中，有很多已經(jīng)整合了高速DSP，可以在雷達(dá)前端做高速運(yùn)算。其帶寬很寬（4GHz），相比窄帶24GHz雷達(dá)帶寬高16倍，可以做到更精準(zhǔn)測(cè)量。
下圖是帶有天線的雷達(dá)模塊?！耙活wIC包括了毫米波雷達(dá)、DSP和天線。天線設(shè)計(jì)起來(lái)很不容易，體積又很小。我們希望幫工程師解決天線這些最困難的設(shè)計(jì)。只要把它放在pcb上，就可以達(dá)到要求?！眳墙▲櫧榻B說(shuō)。他透露，甚至雷達(dá)上還帶有了DSP。傳統(tǒng)雷達(dá)只能獲得一個(gè)個(gè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，而帶有DSP的智能雷達(dá)，則可以在傳感側(cè)直接判斷出物體性質(zhì)。
另外，工廠里涉及不同原材料，對(duì)傳感的需求也不同。毫米波、激光、結(jié)構(gòu)光等技術(shù)沒(méi)有好不好的問(wèn)題，而是要挑選合適技術(shù)去感知材料，解決不同問(wèn)題。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往不是只用一顆傳感器，而是會(huì)用傳感器融合，實(shí)現(xiàn)最好的判斷。
再就是在機(jī)器人方面，從傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人演變到新的協(xié)作機(jī)器人（cobot）。機(jī)器人加上AI，能夠?qū)崿F(xiàn)自主控制，從而作出更好的實(shí)時(shí)決策。這個(gè)技術(shù)也是來(lái)源于汽車中的ADAS技術(shù)。工業(yè)自動(dòng)化還需要考慮安全性，汽車?yán)锏墓δ馨踩部梢詰?yīng)用到工業(yè)里。
綜合來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人有很多技術(shù)在不斷演變，不只是物體檢測(cè)，還有小車，例如叉車在工廠里行駛需要避開(kāi)人。機(jī)器的體積和功耗也需要做到越來(lái)越小。傳感器在不同情境下進(jìn)行判斷，需要綜合使用多個(gè)傳感器。這些都是工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域所遇到的問(wèn)題。
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