傳感器在是感知信息的基礎(chǔ)元件，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)傳感技術(shù)又提出了新的要求，運(yùn)用新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料，以實(shí)現(xiàn)微功耗、低成本、高可靠性等參數(shù)指標(biāo)的提升、研發(fā)更高技術(shù)和創(chuàng)新類的智能傳感器產(chǎn)品以及拓展新的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域成了傳感器市場(chǎng)的新趨勢(shì)。
傳感器是設(shè)備感受外界環(huán)境的重要硬件，決定了裝備與外界環(huán)境交互的能力，是設(shè)備智能化的硬件基礎(chǔ)，尤其在很多智能設(shè)備中，傳感器決定著設(shè)備的核心能力。一個(gè)典型的傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路組成。敏感元件用于直接感受被測(cè)量，轉(zhuǎn)換元件用于轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)。
傳感器用途廣泛、種類繁多。按照測(cè)量對(duì)象可以將傳感器分為檢測(cè)光、放射線、聲信號(hào)、磁信號(hào)、力、位置信息、溫度、濕度、溶液流量流速等類型的傳感器。每一種檢測(cè)同樣對(duì)象的傳感器又有多種應(yīng)用和不同的實(shí)現(xiàn)路徑。
目前，國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點(diǎn)在材料、結(jié)構(gòu)和性能改進(jìn)3個(gè)方面：敏感材料從液態(tài)向半固態(tài)、固態(tài)方向發(fā)展;結(jié)構(gòu)向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展;性能向檢測(cè)量程寬、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)久方向發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)傳感技術(shù)又提出了新的要求，產(chǎn)品正逐漸向MEMS技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、紅外技術(shù)、新材料技術(shù)、納米技術(shù)、陶瓷技術(shù)、薄膜技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、復(fù)合傳感器技術(shù)、多學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展。
智能傳感器讓智能裝備擁有多種“感覺(jué)”
傳感器作為智能裝備唯一的自主式輸入，相當(dāng)于智能裝備、機(jī)器人的各種感覺(jué)器官，智能裝備對(duì)于外界環(huán)境的感覺(jué)主要有視覺(jué)、位置覺(jué)、速度覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等。
視覺(jué)是智能裝備最常用的輸入系統(tǒng)，并可以分為兩大類：一是直觀的視覺(jué)，數(shù)據(jù)類型是像素組成的圖片，典型的應(yīng)用如機(jī)器視覺(jué)、物體識(shí)別等，此類傳感器有高速相機(jī)、攝像機(jī)等;二是環(huán)境模型式的視覺(jué)，數(shù)據(jù)類型是點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間模型，典型的應(yīng)用是空間建模，此類傳感器有3D激光雷達(dá)、激光掃描儀等。
位置覺(jué)是指通過(guò)感知周圍物體與自身的距離，從而判斷自身所處的環(huán)境位置，此類傳感器有激光測(cè)距儀、2D激光雷達(dá)、磁力計(jì)(判斷方向)、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器等。
速度覺(jué)是指智能裝備對(duì)于自身運(yùn)行的速度、加速度、角速度等信息的掌握，此類傳感器有速度編碼器、加速感應(yīng)器、陀螺儀等。
力覺(jué)在智能裝備中用以感知外部接觸物體或內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)的力，典型的應(yīng)用如裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)力反饋;裝在機(jī)械手臂末端和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，用來(lái)檢測(cè)物體施加的力等。
觸覺(jué)在智能裝備中可以進(jìn)一步分為接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)，此類傳感器有光學(xué)式觸覺(jué)傳感器、壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器等，其中滑覺(jué)傳感器是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓握功能的必備條件。
除以上五種人體感覺(jué)以外，一些物理傳感器還具有超越人體的感覺(jué)，比如生物傳感器可以測(cè)量血壓、體溫等，環(huán)境傳感器可以測(cè)量溫濕度、空氣粉塵顆粒物含量、紫外線光照強(qiáng)度等。這些超越人體感官的傳感器如今被可穿戴設(shè)備搭配起來(lái)，可穿戴設(shè)備從而被賦予了擴(kuò)充人體感官的功能。
傳感器研發(fā)趨勢(shì)
隨著微機(jī)電系統(tǒng)、激光技術(shù)、高科技材料等的技術(shù)進(jìn)步，傳感器的研發(fā)呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，有的利用生物材料模擬人類皮膚，創(chuàng)新傳感器的觸覺(jué);有的利用MEMS技術(shù)研發(fā)微型智能化傳感器，從而有利于復(fù)雜系統(tǒng)的集成;有的利用高精度的激光技術(shù)創(chuàng)造激光雷達(dá)，從而利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知周邊障礙物與環(huán)境等等。
然而總體而言，傳感器的研發(fā)過(guò)程呈現(xiàn)兩階段的趨勢(shì)：一、技術(shù)創(chuàng)新，根據(jù)未能滿足的需求開發(fā)新產(chǎn)品。在第一階段中，傳感器研發(fā)創(chuàng)新的方向源于智能裝備、創(chuàng)新設(shè)備的需求，研發(fā)人員根據(jù)使用需求，創(chuàng)新出新型傳感器。二、成本降低，應(yīng)用落地，產(chǎn)品逐步切合產(chǎn)業(yè)化需求。在第二階段中，在研發(fā)創(chuàng)新的過(guò)程中，為了滿足人們對(duì)于智能裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的需求，研究人員從對(duì)技術(shù)開發(fā)的關(guān)注轉(zhuǎn)為對(duì)成本下降的關(guān)注，以實(shí)現(xiàn)傳感器大規(guī)模生產(chǎn)，智能裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的愿景。
3D激光雷達(dá)就是這樣一種從功能創(chuàng)新中誕生，又開始進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)的傳感器。下面以激光雷達(dá)為例，梳理傳感器典型的發(fā)展趨勢(shì)。
研發(fā)趨勢(shì)一：技術(shù)向高階延展
3D激光雷達(dá)的出現(xiàn)是為了滿足系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)空間感知的需求而出現(xiàn)的，無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人機(jī)等自主移動(dòng)式機(jī)器人出于空間識(shí)別、自主避障、規(guī)劃路線的目的，需要一個(gè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)對(duì)于周邊環(huán)境進(jìn)行掃描，從而獲知周邊障礙物和道路的距離信息，由此3D激光雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。
3D激光雷達(dá)的研發(fā)過(guò)程本質(zhì)上是激光測(cè)距技術(shù)的升維，和實(shí)現(xiàn)的需求逐步升級(jí)的過(guò)程，激光測(cè)距技術(shù)是3D激光雷達(dá)的基礎(chǔ)。最早激光測(cè)距儀的出現(xiàn)，解決了點(diǎn)到點(diǎn)一維距離測(cè)量的需求;然后2D激光雷達(dá)的出現(xiàn)，解決了在一個(gè)扇形平面內(nèi)感知接近物體的需求，測(cè)量的是平面內(nèi)的距離;如今3D激光雷達(dá)，通過(guò)高速變化激光投射角度，對(duì)周邊環(huán)境實(shí)時(shí)掃描獲取距離信息，解決了在三維空間內(nèi)的障礙物和環(huán)境識(shí)別需求，測(cè)量的是三維空間內(nèi)的距離。
3D激光雷達(dá)應(yīng)用最熱門的領(lǐng)域莫過(guò)于無(wú)人駕駛汽車，以3D激光雷達(dá)為主導(dǎo)的無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)是當(dāng)今無(wú)人駕駛領(lǐng)域采取的主流技術(shù)路線，但是3D激光雷達(dá)的成本一直是此技術(shù)路線的痛點(diǎn)。
研發(fā)趨勢(shì)二：成本隨應(yīng)用降低
經(jīng)過(guò)了研發(fā)第一階段技術(shù)創(chuàng)新以后，成本過(guò)高是以3D激光雷達(dá)為主的無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)的主要問(wèn)題，傳感器生產(chǎn)公司對(duì)于激光雷達(dá)研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)從功能增強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀究刂疲纱诉M(jìn)入了研發(fā)第二階段：降低成本以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
傳感器應(yīng)用趨勢(shì)：同類結(jié)合、多種組合、場(chǎng)景創(chuàng)新
傳感器作為智能裝備除人工設(shè)置參數(shù)以外的唯一輸入，其重要性不言而喻。傳感器感知外界環(huán)境的能力，決定了智能裝備信息輸入的準(zhǔn)確性和豐富性。對(duì)于傳感器的有效應(yīng)用的創(chuàng)新，往往也是智能裝備功能創(chuàng)新的基礎(chǔ)。智能裝備對(duì)于傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用主要有以下三種趨勢(shì)：
同類傳感器結(jié)合使用，單一功能上的縱向深度結(jié)合
這種情況下，系統(tǒng)在單一功能上往往有著極高的需求，為滿足系統(tǒng)在單一功能上的高復(fù)雜需求，同類傳感器有機(jī)結(jié)合，形成的冗余結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)在該功能上的安全性。如無(wú)人駕駛汽車的感知系統(tǒng)，多種視覺(jué)、位置覺(jué)傳感器的有機(jī)結(jié)合，形成了相互補(bǔ)充的冗余結(jié)構(gòu)，從而保證了系統(tǒng)能夠正確、高效地實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境，做出正確駕駛決策。
此時(shí)，傳感器之間在功能上往往有著主導(dǎo)和輔助的區(qū)別和聯(lián)系，起主導(dǎo)作用的傳感器是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)壁壘。
多種傳感器組合使用，多種功能上的橫向廣度組合
為滿足系統(tǒng)多類型、多層次的輸入輸出需求，多種類型的傳感器創(chuàng)新組合，形成智能裝備的多種感覺(jué)，根據(jù)多種感覺(jué)形成智能反饋。如情感交互性機(jī)器人Pepper以及其他陪護(hù)型、早教型機(jī)器人等，多種感官的組合形成了視覺(jué)、位置覺(jué)、聽覺(jué)等情感感知系統(tǒng)，再通過(guò)內(nèi)部的人工智能算法形成智能反饋。
此時(shí)，硬件之間不存在主次之分，系統(tǒng)和算法芯片也同樣發(fā)揮重要作用。
新型傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備，賦予設(shè)備智能化的生命力
新型智能傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備，賦予傳統(tǒng)設(shè)備“感覺(jué)”，從而升級(jí)為智能設(shè)備。如激光雷達(dá)與掃地機(jī)器人的結(jié)合，形成了路徑規(guī)劃式的掃地機(jī)器人;血壓傳感器、心率傳感器、位置傳感器和手表、手環(huán)的結(jié)合，形成了集各種健康監(jiān)控功能于一身的可穿戴式設(shè)備等。
這種情況下，由于傳統(tǒng)設(shè)備本身具備需求，因此是主要一種存量市場(chǎng)的滲透替換現(xiàn)象，而新型傳感器應(yīng)用帶來(lái)的效果改進(jìn)具有明顯的消費(fèi)者基礎(chǔ)。
下面我們分別以無(wú)人駕駛汽車的感知系統(tǒng)、Pepper機(jī)器人、掃地機(jī)器人為例，梳理傳感器應(yīng)用的趨勢(shì)。
應(yīng)用趨勢(shì)一：同類傳感器疊加，單一功能上的縱向深度組合
以搭載大量傳感器的無(wú)人駕駛汽車為例。無(wú)人駕駛汽車通過(guò)感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別障礙物、道路、交通信號(hào)，該系統(tǒng)是機(jī)器取代駕駛員的關(guān)鍵。該系統(tǒng)主要由各種“視覺(jué)”“位置覺(jué)”傳感器結(jié)合而成，同種類型的不同傳感器彼此輔助、彌補(bǔ)，形成多重安全保障，保證了系統(tǒng)的高安全性。
應(yīng)用趨勢(shì)二：多種傳感器搭配，多種功能上的橫向廣度組合
多種傳感器的組合應(yīng)用形成的產(chǎn)品創(chuàng)新是最為常見的傳感器應(yīng)用趨勢(shì)，功能的創(chuàng)新和組合在未來(lái)也將催生多種形式的新型智能裝備，尤其在家庭應(yīng)用、社會(huì)服務(wù)、公共服務(wù)等領(lǐng)域。以日本軟銀集團(tuán)研發(fā)的情感交互型機(jī)器人Pepper為案例，該機(jī)器人就是一種典型的多種傳感器組合使用的產(chǎn)品，Pepper配備了多種傳感器以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)(攝像頭、紅外傳感器)、位置覺(jué)(激光測(cè)距儀)、聽覺(jué)(麥克風(fēng))、觸覺(jué)(接觸覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器)等感覺(jué)，并配備了特制顯示屏以實(shí)現(xiàn)面部表情和心情的表達(dá)，構(gòu)造了機(jī)械手臂以實(shí)現(xiàn)肢體語(yǔ)言等等。
Pepper機(jī)器人的主要傳感器有：
(1)位于頭部和嘴巴的攝像頭，用來(lái)識(shí)別物體和記錄影像;
(2)位于雙眼的激光發(fā)射器和激光接收器，用來(lái)測(cè)量目標(biāo)物體與自己的距離;
(3)位于頭部的紅外線傳感器，用來(lái)識(shí)別人的面部輪廓，從而進(jìn)行人類情緒的判斷;
(4)位于手部的接觸覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)物體抓握等功能;
(5)其他，例如麥克風(fēng)和用來(lái)輔助機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳感器等。
Pepper機(jī)器人的傳感器之間并不存在主次的關(guān)系，各種硬件“平等”地服務(wù)于整體系統(tǒng)。其人類情感識(shí)別系統(tǒng)、語(yǔ)音判斷與反饋的人工智能系統(tǒng)是決定產(chǎn)品高下的關(guān)鍵性技術(shù)。
應(yīng)用趨勢(shì)三：新型傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備，場(chǎng)景創(chuàng)新萌發(fā)生命力
新型傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備是一種場(chǎng)景創(chuàng)新，最典型的案例如出貨量處在爆發(fā)期的掃地機(jī)器人。掃地機(jī)器人有隨機(jī)碰撞式和路徑規(guī)劃式兩種，長(zhǎng)期來(lái)看，路徑規(guī)劃式掃地機(jī)器人由于其清潔效率高、脫困能力強(qiáng)、方便快捷等特點(diǎn)將逐步取代隨機(jī)碰撞式機(jī)器人。路徑規(guī)劃式掃地機(jī)器人中，又有三種不同技術(shù)路線：GPS技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)、激光技術(shù)。
GPS技術(shù)使掃地機(jī)器人清楚自身所處的房間內(nèi)的位置，有效避免了重復(fù)清理，提高了清潔效率，但是不能躲避障礙物，因此對(duì)于障礙物的探測(cè)還是采用“碰撞式”。此類掃地機(jī)器人如iRobot的Braava系列、Proscenic的Pro-JOJO系列等。
采用視覺(jué)技術(shù)的掃地機(jī)器人主要由iRobot掌握，采用VSLAM視覺(jué)定位技術(shù)，通過(guò)攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行定位算法處理。
激光技術(shù)是指掃地機(jī)器人配置旋轉(zhuǎn)式的激光測(cè)距傳感器(2D激光雷達(dá))，快速獲取與周邊障礙物的距離，通過(guò)不同的算法進(jìn)行障礙物識(shí)別、位置判斷與路徑規(guī)劃。
激光導(dǎo)航的掃地機(jī)器人由于其相對(duì)成本較低、使用效果好，是路徑規(guī)劃式機(jī)器人未來(lái)的主要技術(shù)路線。
