24GHz还是77GHz？机器人雷达技术的取舍

在机器人的感知层，有众多传感检测设备来支持其探测功能。雷达在机器人中的应用已经有很久的历史了，从最初固定式的AGV开始到现在各样式可移动机器人，雷达技术作为成本和性能兼顾的感知手段，在物体探测、物体跟踪、定位和地图绘制功能上已经足够成熟并且适用性极广，是工业自动化中不可或缺的一项技术。短程雷达（SRR）传感器，可满足盲区监测等汽车应用要求，而中远程雷达，更多用于自动紧急制动（AEB）和自适应巡航控制（ACC）。在机器人应用中，中远程雷达更为常见。

 

（图源：ADI）

 
随着机器人领域对雷达技术的使用越来越多，目前，24GHz和77GHz雷达系统在机器人领域都有不少的应用，大有分庭抗礼之势。不论两种频带的雷达系统竞争得如何激烈，对任何雷达系统来说，优秀的发射相位噪声都是必须的，这是扩大传感器有效范围与精度的首要条件。那这两种频带的雷达技术在机器人应用上各自有何特色，该如何抉择？
 
摒弃传统24GHz？不！
 
在77GHz毫米波雷达技术开始广泛应用后，摒弃传统24GHz雷达在机器人系统中的应用这种说法就开始流行起来。诚然，77GHz毫米波雷达在诸多方面都有着胜过24GHz雷达的性能（诸如带宽、分辨率、精度等等），但是传统的24GHz雷达竞争力并没有想象中那么弱。
 
24GHz频带包括了24.0GHz到24.25GHz范围内的工业、科技和医疗频带，也就是常说的窄带，其带宽为250MHz（还包括带宽为5GHz的UWB）。这个频带的雷达系统经过多年的研究与开发，已经极为成熟。目前，在24GHz的雷达系统上，高集成的信号链设计已经是家常便饭了，从放大器、混频器、PLL、集成变送器到接收器以及 VCO 到转换器和雷达模块，整个设计不仅灵活而且功能齐全，给予了雷达前端空间设计提供了充足的灵活性。
 
目前领先的24GHz雷达芯片组已经做到了变频器10 dB噪声系数性能，已经接近毫米波雷达的噪声系数了，卓越的低噪声性能可以为雷达系统带来更高的能效。能效在24GHz这个成熟的市场里是各厂商比拼的重点。为了提高芯片组能效，多频道结构接收机高频设计也是一种办法，它允许波束赋形实现角分辨率以此来提高能效。
 

（图源：ADI）

 
不考虑运行在系统处理器的雷达检测算法优劣的情况下，芯片组数字信号处理的能力决定了雷达检测前方目标速度、距离和位置的精准度，这很考验器件的RF与ADC的性能。在目前领先的雷达芯片组中，RF的设计可谓是十分亮眼，不仅性能优异而且线路走线极省空间，还不需要外部匹配无源元件。这一类成熟芯片组对于功耗管理也是锱铢必较，以4通道接收同时开启为例，领先的厂商能做到550mW的超低功耗。
 
在24GHz雷达系统能覆盖需求的机器人应用下，24GHz雷达系统是成本和能效性价比最高的选择，单纯从性能对比摒弃24GHz雷达系统，在机器人应用里是得不偿失的做法。
 
77GHz毫米波雷达瞄准了更高阶的机器人传感应用
 
毫米波雷达传感算是机器人感知里一项相对较新的技术。与传统的视觉和激光雷达的传感器相比，毫米波雷达的一个重要优势是受环境条件影响较小，这个优势明显地体现在室外移动机器人和黑灯自动化工厂中。在使用传统传感机器人常常丢失定位的场景中，毫米波雷达的加入会明显改善此类情况。
 
而与24GHz雷达相比，77GHz的频带在前端远程雷达应用上无疑是压倒性的优势，单单其高精度和高分辨率就能对检测物体做出更密集的点云检测。收集到的点信息密度可提供高保真度，这种清晰的“可视化”对于移动机器人来说是非常重要的数据，能够确保它们的自主性。

 

（图源：TI）

 
上图截取自TI搭载CMOS毫米波雷达的移动机器人障碍检测测试视频，其毫米波传感器提供的点云数据更密集，不仅提供了距离信息，还提供现场人员的相对速度信息，进而根据接近程度和接近速度触发机器人减速或停止。虽然24GHz雷达也能做到很好的障碍检测，但是对于视觉的辅助则没有运用毫米波雷达优势明显（见下图），毫米波雷达能更好地结合视觉与AI软硬件，补足机器人更高阶的智能移动。

 

（图源：TI）

 
毫米波雷达更高的射频频率也减小了传感器尺寸，对于相同的波束宽度，更高的射频频率支持更小的传感器并进而实现紧凑的芯片组设计。目前市面上毫米波雷达已经做到在超小封装中实现出色的集成度，PLL、发送器、接收器、基带和 ADC都能紧凑地集成在收发器中，给予雷达前端空间设计的灵活度也是不错的。
 
但毫米波雷达昂贵的成本与极多的分立组件也是个避不开的问题，领先的毫米波雷达厂商是将射频、处理和内存资源集成到一个单片CMOS芯片上，这样才让器件在成本和尺寸上不至于让人难以接受。否则，这种对传感性能带来革命性提升的雷达也很难在机器人应用上大面积铺开。
 
写在最后
 
机器人的感知层面从来都不是单一传感就能完全覆盖，不同的传感技术结合起来才能取得最佳效果。即便是同为雷达传感的二者也是如此。毫米波雷达优秀的感知能力与鲁棒性注定了它会在高阶的智能感知智能移动上大展身手，大大提高机器人的智能化操作。在毫米波雷达强大的性能面前，传统的24GHz雷达传感也在相当多机器人场景中发挥着它成熟且实用的作用。机器人多种传感的结合与合适的应用才能加快机器人的智能化演进。