【導讀】自主移動機器人（AMR）是一種復雜的系統(tǒng)，與自動駕駛汽車有許多共同之處--它們需要感知、電機驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換、照明和電池管理。也許最大的挑戰(zhàn)是將這些子系統(tǒng)整合到一個最終產(chǎn)品中--由于需要集成來自不同供應商的不同子系統(tǒng)，這一挑戰(zhàn)變得更加困難。
自主移動機器人（AMR）是一種復雜的系統(tǒng)，與自動駕駛汽車有許多共同之處--它們需要感知、電機驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換、照明和電池管理。也許最大的挑戰(zhàn)是將這些子系統(tǒng)整合到一個最終產(chǎn)品中--由于需要集成來自不同供應商的不同子系統(tǒng)，這一挑戰(zhàn)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(yōu)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)，分別管理電源、運動、感知、處理和照明。每個子系統(tǒng)本身都很復雜，設計起來往往具有挑戰(zhàn)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(zhàn)--尤其是從不同供應商處采購子系統(tǒng)或主要部件時。
圖 1 - 典型 AMR 的關鍵子系統(tǒng)（來源：安森美）
要使 AMR 正常運行，子系統(tǒng)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(jīng)過測試可協(xié)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(tǒng)元件有助于降低開發(fā)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(tǒng)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(tài)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(nèi)的多種技術。來自多個傳感器的數(shù)據(jù)會被整合，以便更好地了解周圍環(huán)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(tài)范圍方面具有業(yè)界先進的性能，并具備如運動喚醒和自動曝光控制等創(chuàng)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(fā)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(qū)動級需要許多元器件來正確控制。NCD83591三相柵極驅(qū)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(tǒng)。
圖 2 - 驅(qū)動 BLDC 電機需要多個元器件協(xié)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(chǎn)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(nèi)的一般功率應用。
圖 3 - PowerTrench? T10 MOSFET 的優(yōu)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(tǒng)則可提供更好的性能和更高的效率。
SiC MOSFET 的另一個優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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?shù)谋Ｗo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(nèi)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(shù)包括其工作范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗和安全性。 在內(nèi)部通信方面，長期以來使用了許多協(xié)議，包括 CAN、LIN、RS-485 和 RS232。 以太網(wǎng) 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(fā)數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能。 與主控 MCU 的通信通過OPEN聯(lián)盟 MAC-PHY 串行外設接口 (SPI) 協(xié)議進行。
無論是發(fā)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(fā)角 (AoD) 功能實現(xiàn)實時定位系統(tǒng) (RTLS) 的理想選擇，它還可用于連接智能設備。 RSL15 內(nèi)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(tǒng)用于向周圍的人員和其他AMR傳達AMR的狀態(tài)、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(shù)包括亮度、色溫和功耗。LED控制器和驅(qū)動器監(jiān)控流經(jīng)LED的電流，并使 LED 發(fā)出特定強度和波長的光。LED驅(qū)動電路使用高壓側(cè)和低壓側(cè)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(qū)動電路的穩(wěn)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(chǎn)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(chǎn)品的能力。
作為一家擁有豐富行業(yè)經(jīng)驗的老牌供應商，安森美能夠提供系統(tǒng)級應用支持。我們的全球銷售和技術團隊網(wǎng)絡可以不受地區(qū)、時區(qū)和語言的限制，提供一線支持。
除了現(xiàn)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(qū)論壇是一個在線開發(fā)者社區(qū)，在這里，安森美產(chǎn)品的資深用戶可以分享他們關于產(chǎn)品和應用的豐富知識。 用戶可以通過一些特定主題的產(chǎn)品論壇區(qū)域訪問該論壇，與業(yè)內(nèi)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(qū)動的聊天機器人可以在幾秒鐘內(nèi)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(chǎn)品推薦工具和大量評估板/套件，以促進快速原型開發(fā)。 電力電子設計人員會發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品上市時間。
當然，上述一切只有在產(chǎn)品設計完成并投入生產(chǎn)后才有價值。安森美具備內(nèi)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(zhí)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(zhàn)不在于 AMR 中的各種子系統(tǒng)，而在于這些子系統(tǒng)的集成，特別是如果這些子系統(tǒng)來自不同的供應商，其兼容性很可能是一個挑戰(zhàn)。
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(chǎn)品，以及完善的支持生態(tài)系統(tǒng)，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。
(作者：安森美系統(tǒng)工程經(jīng)理Theo Kersjes）
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