|
Accelerating Autonomous Mobile Robot Development with the Benefits of a Solutions Provider 作者：安森美系統工程經理Theo Kersjes 
自主移動機器人（AMR）是一種復雜的系統，與自動駕駛汽車有許多共同之處--它們需要感知、電機驅動、電源轉換、照明和電池管理。也許最大的挑戰是將這些子系統整合到一個最終產品中--由于需要集成來自不同供應商的不同子系統，這一挑戰變得更加困難。 本文將探討AMR的復雜世界，并考慮選擇由一家解決方案提供商來負責AMR所有關鍵方面的設計——其優勢包括降低設計/集成風險和縮短上市時間。 自動導引車（AGV）主要在室內運行，并按照預先確定的路線行駛（通常使用地面上的線條作為引導），自主移動機器人（AMR）則要復雜得多，能夠在室內和室外自由導航，而不必遵循預定義的路線。在這方面，它們類似于自動駕駛車輛，因為它們必須識別并避開路徑上的障礙物，無論障礙物是靜止的還是移動的。 幾乎所有 AMR 的核心都是五個主要子系統，分別管理電源、運動、感知、處理和照明。每個子系統本身都很復雜，設計起來往往具有挑戰性，同時也是 AMR 成功運行的基礎。然而，集成往往是最大的挑戰--尤其是從不同供應商處采購子系統或主要部件時。
圖 1 - 典型 AMR 的關鍵子系統（來源：安森美） 要使 AMR 正常運行，子系統之間的信息流和功率流至關重要，這意味著要有一個通用的接口和經過測試可協同工作的部件，以消除兼容性問題。簡單來說，從一個解決方案供應商處采購關鍵系統元件有助于降低開發風險，縮短上市時間，并在競爭激烈的市場中保持領先地位。 構建系統集成的 AMR 感知對于在自由空間中導航的自主移動機器人（AMR）至關重要，尤其是在沒有軌道或其他導航輔助設備可用的情況下。AMR必須能夠找到安全的路線，并處理路徑上的靜態和移動障礙物。為了克服天氣或照明條件的限制，并適應不同的距離，會使用包括圖像傳感器、超聲波和激光雷達（LiDAR）在內的多種技術。來自多個傳感器的數據會被整合，以便更好地了解周圍環境。這種技術被稱為傳感器融合，它提供了更好的可靠性、冗余性和安全性。 安森美（onsemi）一直是智能感知技術的領導者。安森美提供從VGA到4500萬像素的各種卷簾曝光和全局曝光圖像傳感器。這些傳感器在動態范圍方面具有業界先進的性能，并具備如運動喚醒和自動曝光控制等創新特性。除圖像傳感器之外，安森美還提供用于測距（LiDAR）的硅光電倍增管（SiPM）、超聲波傳感器、電感式傳感器以及支持到達角（AoA）和出發角（AoD）的Bluetooth低功耗（BLE）技術微控制器，這些可以用于定位。 運動控制 在 AMR 中非常重要。通常使用無刷直流（BLDC）電機，需要復雜的算法進行精確控制。無刷直流電機驅動級需要許多元器件來正確控制。NCD83591三相柵極驅動器通過開啟和關閉功率開關來控制換相，非常適合用于電機控制子系統。
圖 2 - 驅動 BLDC 電機需要多個元器件協同工作（來源：安森美） MOSFET 用作開關為電機繞組供電。安森美提供了一系列中壓 (MV) MOSFET 產品組合，包括最新的 PowerTrench T10 MOSFET，是電機應用的理想之選。 MOSFET 還可用于 AMR 內的一般功率應用。
圖 3 - PowerTrench T10 MOSFET 的優勢（來源：安森美） 與硅 MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 具有更高的熱導率和十倍的擊穿電場強度。 這使得碳化硅元件能夠在相同材料厚度下承受更高的電壓。 當 AMR（例如自動叉車）變得越來越大時，電池電壓也會隨之升高，而基于 SiC 的系統則可提供更好的性能和更高的效率。 SiC MOSFET 的另一個優勢是能夠在更高溫度下工作，從而簡化了散熱器設計。 更高的工作頻率可減小磁性元件的尺寸（和成本），從而縮小子系統的尺寸，有助于擴大 AMR 的工作范圍。 電力輸送不僅對電機控制至關重要。系統還需要一個外部充電器，該充電器需要盡可能快且高效地為電池充電。AMR中的DC-DC電源樹使用開關模式電源（SMPS）和線性穩壓器（LDO）來供應邏輯和低壓電平。效率固然重要，但在整個電源架構中部署適當的保護措施也同樣重要。安森美提供了一系列適用于AMR應用的電子保險絲（eFuse）和SmartFET解決方案。 通信對 AMR 至關重要，既包括 AMR 本身內部的通信，也包括與配套設施的外部通信，還可能包括與其他 AMR 的通信。 為 AMR 選擇通信技術時需要考慮的參數包括其工作范圍、數據傳輸速率、功耗和安全性。 在內部通信方面，長期以來使用了許多協議，包括 CAN、LIN、RS-485 和 RS232。 以太網 10BASE-T1S（如安森美的 NCN26010）集簡便性和高性能于一身，因此越來越受歡迎。 它提供通過單根非屏蔽雙絞線收發數據所需的所有物理層功能。 與主控 MCU 的通信通過OPEN聯盟 MAC-PHY 串行外設接口 (SPI) 協議進行。 無論是發送路由或配置信息以及報告位置和進度，還是用于實時定位服務 (RTLS)，外部通信對于 AMR 來說也是必不可少的。 安森美基于Bluetooth LE 5.2 無線 MCU 的 RSL15 超低功耗 Arm Cortex-M33 處理器是利用到達角 (AoA) 和出發角 (AoD) 功能實現實時定位系統 (RTLS) 的理想選擇，它還可用于連接智能設備。 RSL15 內置電源管理、寬電源電壓范圍、靈活的 GPIO 和時鐘電路以及豐富的外設，為 AMR 設計人員提供了最大的設計靈活性。 照明子系統用于向周圍的人員和其他AMR傳達AMR的狀態、狀況和意圖。選擇AMR照明技術時需要考慮的性能特性和參數包括亮度、色溫和功耗。LED控制器和驅動器監控流經LED的電流，并使 LED 發出特定強度和波長的光。LED驅動電路使用高壓側和低壓側功率MOSFET來導通和關斷LED電流，同時防止過壓和過流情況，并確保LED驅動電路的穩定性。 對AMR 解決方案的支持 選擇一家解決方案提供商可能是一個有風險的決定，但他們擁有一套全面的產品解決方案。 同樣重要的是在整個設計過程中提供的支持，以及在需要的時間和地點提供產品的能力。 作為一家擁有豐富行業經驗的老牌供應商，安森美能夠提供系統級應用支持。我們的全球銷售和技術團隊網絡可以不受地區、時區和語言的限制，提供一線支持。 除了現場支持，用戶還可以訪問我們的在線技術支持中心。 安森美社區論壇是一個在線開發者社區，在這里，安森美產品的資深用戶可以分享他們關于產品和應用的豐富知識。 用戶可以通過一些特定主題的產品論壇區域訪問該論壇，與業內同行互動，提出或回答問題。 幫助庫也是了解常見問題 (FAQ) 和答案的好地方。 對于喜歡更多互動的用戶，由AI驅動的聊天機器人可以在幾秒鐘內為您提供答案。 安森美提供了一系列廣泛的免費自助服務工具，包括交互式框圖、Product Recommendation Tools+TM 產品推薦工具和大量評估板/套件，以促進快速原型開發。 電力電子設計人員會發現這些仿真工具非常有用。 Elite Power Simulator仿真工具 和自助式 PLECS 模型生成工具不僅可以通過對實際元器件性能建模以提高準確性，還能加快產品上市時間。 當然，上述一切只有在產品設計完成并投入生產后才有價值。安森美具備內外部雙重制造能力，這增加了供應鏈的韌性并提升了供應保障。 結語 AMR 是一種高效、可靠的運送包裹和執行其他物流任務的方式，因此越來越受歡迎。 然而，完全自主行駛需要高度的復雜性和安全性，這一點與汽車并無二致。 也許最大的設計挑戰不在于 AMR 中的各種子系統，而在于這些子系統的集成，特別是如果這些子系統來自不同的供應商，其兼容性很可能是一個挑戰。 作為一家解決方案供應商，安森美的獨特之處在于可以為 AMR 的設計提供一整套極其先進的產品，以及完善的支持生態系統，包括支持人員、工具、文檔、在線論壇等，并以垂直整合的彈性制造能力為后盾。 |
