机器人超宽带(UWB)雷达芯片的人体运动检测距离,根据发射功率和接收机灵敏度,最远可达30~50米,部分高性能产品甚至能达到100米。UWB雷达通过发射纳秒级窄脉冲,利用人体运动(呼吸、心跳、行走)引起的回波多普勒或距离变化进行检测。与连续波雷达相比,UWB具有距离分辨率高、穿透能力强、对人安全等优势。典型UWB雷达芯片中心频率在3.5~6.5GHz或者6~9GHz,带宽500MHz~1.5GHz。在开阔环境下,使用20dBm发射功率和-100dBm灵敏度,可以检测到30米外行走的人体;对于静止人体的呼吸检测,距离会缩短到10~15米。
具体产品中,爱尔兰Novelda公司的X4系列UWB雷达芯片(如X4M03),人体运动检测距离宣称可达40米(空旷室外),室内穿墙条件下为10~15米。美国Time Domain公司的PulsON 440芯片,运动检测距离高达100米,但需要配合较大天线阵列。国内南京米乐为微电子的UWB雷达芯片,典型运动检测距离30米,呼吸检测距离8米。需要强调的是,UWB雷达的人体检测距离受人体姿态、衣着、环境多径以及遮挡物影响极大。例如,当人体背对雷达时雷达截面积减小,检测距离可能缩短一半;而透过砖墙时,每堵墙会衰减5~15dB,距离相应降低为1/3~1/2。
在机器人应用领域,UWB雷达主要用于救援机器人、陪伴机器人以及安防巡检机器人。例如在火灾浓烟中,普通摄像头和激光雷达失效,UWB雷达可以穿透烟雾检测到20米外被困人员的呼吸微动。此外,某些服务机器人利用UWB雷达进行存在感应,避免摄像头隐私问题,检测距离10~15米即可覆盖普通客厅。对于室外大型巡逻机器人,需要检测50米外接近的人员,此时必须采用多芯片级联或机械扫描天线来提高信噪比。部分高端的UWB雷达芯片还支持角度估计,通过相位干涉法实现方位角测量,但检测距离会相应下降。
从法规角度看,各国的UWB发射功率受限(美国FCC规定-41.3dBm/MHz),因此实际商用芯片的峰值发射功率通常小于0dBm,这限制了最大检测距离。通过相干积累(长时间积分)可以提升处理增益,从而将检测距离延伸到理论极限。目前已知的最佳结果来自实验室的MIMO UWB雷达系统,对人体运动检测距离达到200米。但就单一芯片而言,集成在机器人内部的小型化UWB雷达模块,可靠的运动检测距离一般为20~30米,呼吸检测距离5~10米。未来随着低噪声放大器和先进脉冲压缩技术的应用,30米将成为主流门槛,同时功耗进一步降低。





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