自主移动机器人设计指南

本文作者：Theo Kersjes，安森美系统工程经理

自主移动机器人（AMR）是一种复杂的系统，与自动驾驶汽车有许多共同之处--它(tā)们(men)需(xū)要(yào)感(gǎn)知(zhī)、电(diàn)机(jī)驱(qū)动(dòng)、电(diàn)源(yuán)转(zhuǎn)换(huàn)、照(zhào)明(míng)和(hé)电(diàn)池(chí)管(guǎn)理(lǐ)。也(yě)许(xǔ)最(zuì)大(dà)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)是(shì)将(jiāng)这(zhè)些(xiē)子(zi)系(xì)统(tǒng)整(zhěng)合(hé)到(dào)一(yī)个(gè)最(zuì)终(zhōng)产(chǎn)品(pǐn)中(zhōng)--由(yóu)于需要集成来自不同供应商的不同子系统，这一挑战变得更加困难。

本文将探讨AMR的复杂世界，并考虑选择由一家解决方案提供商来负责AMR所有关键方面的设计——其优势包括降低设计/集成风险和缩短上市时间。

自动导引车（AGV）主要在室内运行，并按照预先确定的路线行驶（通常使用地面上的线条作为引导），自主移动机器人（AMR）则(zé)要(yào)复(fù)杂(zá)得(de)多(duō)，能(néng)够(gòu)在(zài)室(shì)内(nèi)和(hé)室(shì)外(wài)自(zì)由(yóu)导(dǎo)航(háng)，而(ér)不(bù)必(bì)遵(zūn)循(xún)预(yù)定(dìng)义(yì)的(de)路线(xiàn)。在(zài)这(zhè)方(fāng)面(miàn)，它(tā)们(men)类(lèi)似(shì)于(yú)自(zì)动(dòng)驾(jià)驶(shǐ)车(chē)辆(liàng)，因(yīn)为(wèi)它(tā)们(men)必(bì)须(xū)识(shi)别(bié)并(bìng)避(bì)开(kāi)路径上(shàng)的(de)障(zhàng)碍(ài)物(wù)，无(wú)论(lùn)障(zhàng)碍(ài)物(wù)是(shì)静(jìng)止(zhǐ)的(de)还(hái)是(shì)移(yí)动(dòng)的(de)。

几(jǐ)乎(hu)所(suǒ)有(yǒu)AMR的(de)核(hé)心(xīn)都(dōu)是(shì)五(wǔ)个(gè)主要(yào)子(zi)系(xì)统(tǒng)，分(fēn)别(bié)管(guǎn)理(lǐ)电(diàn)源(yuán)、运动、感知、处理和照明。每个子系统本身都很复杂，设计起来往往具有挑战性，同时也是AMR成功运行的基础。然而，集成往往是最大的挑战--尤其是从不同供应商处采购子系统或主要部件时。

图1- 典型AMR的关键子系统

要使AMR正常运行，子系统之间的信息流和功率流至关重要，这意味着要有一个通用的接口和经过测试可协同工作的部件，以消除兼容性问题。简单来说，从一个解决方案供应商处采购关键系统元件有助于降低开发风险，缩短上市时间，并在竞争激烈的市场中保持领先地位。

构建系统集成的AMR

感知对于在自由空间中导航的自主移动机器人（AMR）至关重要，尤其是在没有轨道或其他导航辅助设备可用的情况下。AMR必须能够找到安全的路线，并处理路径上的静态和移动(dòng)障(zhàng)碍(ài)物(wù)。为(wèi)了克服天气或照明条件的限制，并适应不同的距离，会使用包括图像传感器、超声波和激光雷达（LiDAR）在内的多种技术。来自多个传感器的数据会被整合，以便更好地了解周围环境。这种技术被称为传感器融合，它提供了更好的可靠性、冗余性和安全性。

安森美（onsemi）一直是智能感知技术的领导者。安森美提供从VGA到4500万像素的各种卷帘曝光和全局曝光图像传感器。这些传感器在动态范围方面具有业界先进的性能，并具备如运动唤醒和自动曝光控制等创新特性。除图像传感器之外，安森美还提供用于测距（LiDAR）的硅光电倍增管（SiPM）、超声波传感器、电感式传感器以及支持到达角（AoA）和出发角（AoD）的Bluetooth低功耗（BLE）技术微控制器，这些可以用于定位。

运(yùn)动(dòng)控(kòng)制(zhì)在(zài) AMR中(zhōng)非(fēi)常(cháng)重(zhòng)要(yào)。通(tōng)常(cháng)使(shǐ)用(yòng)无(wú)刷(shuā)直(zhí)流(liú)（BLDC）电(diàn)机(jī)，需(xū)要(yào)复(fù)杂(zá)的(de)算(suàn)法(fǎ)进(jìn)行(xíng)精(jīng)确(què)控(kòng)制(zhì)。无(wú)刷直流电机驱动级需要许多元(yuán)器(qì)件(jiàn)来(lái)正(zhèng)确(què)控(kòng)制(zhì)。NCD83591三(sān)相(xiāng)栅(zhà)极(jí)驱(qū)动(dòng)器(qì)通(tōng)过(guò)开(kāi)启(qǐ)和(hé)关闭(bì)功(gōng)率(lǜ)开(kāi)关来(lái)控(kòng)制(zhì)换(huàn)相(xiāng)，非(fēi)常(cháng)适(shì)合(hé)用(yòng)于(yú)电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)子(zi)系(xì)统(tǒng)。

图(tú)2- 驱(qū)动(dòng)BLDC电(diàn)机(jī)需(xū)要(yào)多(duō)个(gè)元(yuán)器(qì)件(jiàn)协(xié)同(tóng)工(gōng)作

MOSFET用作开关为电机绕组供电。安森美提供了一系列中压(MV)MOSFET 产品组合，包括最新的PowerTrench T10 MOSFET，是电机应用的理想之选。MOSFET还可用于AMR内的一般功率应用。

图3- PowerTrenchT10 MOSFET 的优势

与硅MOSFET相比，碳化硅(SiC)MOSFET 具有更高的热导率和十倍的击穿电场强度。这使得碳化硅元件能够在相同材料厚度下承受更高的电压。当 AMR（例如自动叉车）变得越来越大时，电池电压也会随之升高，而基于SiC的系统则可提供更好的性能和更高的效率。

SiCMOSFET 的另一个(gè)优(yōu)势(shì)是(shì)能(néng)够(gòu)在(zài)更(gèng)高(gāo)温(wēn)度(dù)下(xià)工(gōng)作(zuò)，从(cóng)而(ér)简(jiǎn)化(huà)了(le)散(sàn)热(rè)器(qì)设(shè)计(jì)。更(gèng)高(gāo)的(de)工(gōng)作(zuò)频(pín)率(lǜ)可(kě)减(jiǎn)小(xiǎo)磁(cí)性(xìng)元(yuán)件(jiàn)的(de)尺寸（和成本），从而缩小子系统的尺寸，有助于扩大AMR的工作范围。

电力输送不仅对电机控制至关重要。系统还需要一个外部充电器，该充电器需要尽可能快且高效地为电池充电。AMR中的DC-DC电源树使用开关模式电源（SMPS）和线性稳压器（LDO）来供应逻辑和低压电平。效率固然重要，但在整个电源架构中部署适当的保护措施也同样重要。安森美提供了一系列适用于AMR应用的电子保险丝（eFuse）和SmartFET解决方案。

通信对AMR至关重要，既包括AMR本身内部的通信，也包括与配套设施的外部通信，还可能包括与其他AMR的通信。为 AMR选择通信技术时需要考虑的参数包(bāo)括其工作范围、数据传输速率、功耗和安全性。在内部通信方面，长期以来使用了许多协议，包括CAN、LIN、RS-485和(hé)RS232。以(yǐ)太(tài)网(wǎng) 10BASE-T1S（如(rú)安(ān)森(sēn)美(měi)的(de)NCN26010）集简(jiǎn)便(biàn)性(xìng)和(hé)高(gāo)性(xìng)能(néng)于(yú)一(yī)身(shēn)，因(yīn)此(cǐ)越(yuè)来(lái)越(yuè)受(shòu)欢(huan)迎(yíng)。它(tā)提(tí)供(gōng)通(tōng)过(guò)单根非屏蔽双绞线收发数据所需的所有物理层功能。与主控 MCU的通信通过OPEN联盟MAC-PHY串行外设接口(SPI)协议进行。

无论是发送路由或配置信息以及报告位置和进度，还是用于实时定位服务(RTLS)，外部通信对于AMR来说也是必不可少的。安森美基于BluetoothLE 5.2 无线MCU的RSL15超低功耗ArmCortex-M33 处理器是利用到达角(AoA)和出发角(AoD)功能实现实时定位系统(RTLS)的理想选择，它还可用于连接智能设备。RSL15内置电源管理、宽电源电压范围、灵活的GPIO和时钟电路以及丰富的外设，为AMR设计人员提供了最大的设计灵活性。

照明子系统用于向周围的人员和其他AMR传达AMR的状态、状况和意图。选择AMR照明技术时需要考虑的性能特性和参数包括亮度、色温和功耗。LED控制器和驱动器监控流经LED的电流，并使LED发出特定强度和波长的光。LED驱动电路使用高压侧和低压侧功率MOSFET来导通和关断LED电流，同时防止过压和过流情况，并确保LED驱动电路的稳定性。

对AMR解决方案的支持

选择一家解决方案提供商可能是(shì)一(yī)个(gè)有(yǒu)风(fēng)险(xiǎn)的(de)决(jué)定(dìng)，但(dàn)他(tā)们(men)拥有一套全面(miàn)的(de)产(chǎn)品(pǐn)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)。同(tóng)样(yàng)重(zhòng)要(yào)的(de)是(shì)在(zài)整(zhěng)个(gè)设(shè)计(jì)过(guò)程(chéng)中(zhōng)提(tí)供(gōng)的(de)支(zhī)持(chí)，以(yǐ)及(jí)在(zài)需(xū)要(yào)的(de)时(shí)间(jiān)和(hé)地(de)点(diǎn)提(tí)供(gōng)产(chǎn)品(pǐn)的(de)能(néng)力(lì)。

作为一家拥有丰富行业经验的老牌供应商，安森美能够提供系统级应用支持。我们的全球销售和技术团队网络可以不受地区、时区和语言的限制，提供一线支持。

除了现场支持，用户还可以访问我们的在线技术支持中心。安森美社区论坛是一个在线开发者社区，在这里，安森美产品的资深用户可以分享他们关于产品和应用的丰富知识。用户可以通过一些特定主题的产品论坛区域访问该论坛，与业内同行互动，提出或回答问题。帮助库也是了解常见问题 (FAQ)和答案的好地方。对于喜欢更多互动的用户，由AI驱动的聊天机器人可以在几秒钟内为您提供答案。

安森美提供了一系列广泛的免费自助服务工具，包括交互式框图、ProductRecommendation Tools+TM产品推荐工具和大量评估板/套件，以促进快(kuài)速(sù)原(yuán)型(xíng)开(kāi)发(fā)。电(diàn)力(lì)电(diàn)子(zi)设(shè)计(jì)人(rén)员(yuán)会(huì)发(fā)现(xiàn)这(zhè)些(xiē)仿真工具非常有用。ElitePower Simulator仿真工具和自助式 PLECS模型生成工具不仅可以通过对实际元器件性能建模以提高准确性，还能加快产品上市时(shí)间(jiān)。

当(dāng)然(rán)，上(shàng)述(shù)一(yī)切(qiè)只(zhǐ)有(yǒu)在(zài)产(chǎn)品(pǐn)设(shè)计(jì)完(wán)成(chéng)并(bìng)投(tóu)入(rù)生(shēng)产(chǎn)后(hòu)才(cái)有(yǒu)价(jià)值(zhí)。安(ān)森(sēn)美(měi)具(jù)备(bèi)内(nèi)外(wài)部(bù)双(shuāng)重(zhòng)制(zhì)造(zào)能力，这(zhè)增(zēng)加(jiā)了(le)供(gōng)应(yīng)链(liàn)的(de)韧(rèn)性(xìng)并(bìng)提(tí)升(shēng)了(le)供(gōng)应(yīng)保(bǎo)障(zhàng)。

结(jié)语(yǔ)

AMR是一种高效、可靠的运送包裹和执行其他物流任务的方式，因此(cǐ)越(yuè)来(lái)越(yuè)受(shòu)欢(huan)迎(yíng)。然(rán)而(ér)，完(wán)全自(zì)主行(xíng)驶(shǐ)需(xū)要(yào)高(gāo)度(dù)的(de)复(fù)杂(zá)性(xìng)和(hé)安(ān)全性(xìng)，这(zhè)一(yī)点(diǎn)与(yǔ)汽(qì)车(chē)并(bìng)无(wú)二(èr)致(zhì)。

也(yě)许(xǔ)最(zuì)大(dà)的(de)设(shè)计(jì)挑(tiāo)战不在于AMR中的各种子系统，而在于这些子系统的集成，特别是如果这些子系统来自不同的供应商，其兼容性很可能是一个挑战。

作为一家解决方案供应商，安森美的独特之处在于可以为AMR的设计提供一整套极其先进的产品，以及完善的支持生态系统，包括支持人员、工具、文档、在线论坛等，并以垂直整合的弹性制造能力为后盾。