【導(dǎo)讀】照明、傳感器和通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 的關(guān)鍵支持技術(shù)，用于確保機(jī)器人能夠看見(jiàn)、感知現(xiàn)實(shí)世界并與現(xiàn)實(shí)世界交互。本文介紹了設(shè)計(jì)子組件的基本注意事項(xiàng)，并介紹了安森美 (onsemi)提供的適用于各應(yīng)用的方案。
圖 1：自主移動(dòng)機(jī)器人概念
感知環(huán)境
AMR 需要能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境并與環(huán)境進(jìn)行交互，這就要用到不同類(lèi)型的傳感器，包括溫度傳感器、圖像傳感器、LiDAR（用于 3D 映射）、旋轉(zhuǎn)位置和可見(jiàn)光通信 (VLC) 傳感器。
圖像傳感器和圖像信號(hào)處理器賦予 AMR 視覺(jué)感知功能，使其能夠穿行于所在環(huán)境，檢測(cè)和識(shí)別物體。對(duì)于該應(yīng)用，安森美提供了全局快門(mén)和卷簾快門(mén)圖像傳感器方案。AR0234CS 圖像傳感器采用創(chuàng)新的全局快門(mén)像素設(shè)計(jì)，優(yōu)化了每秒 120 幀、全分辨率下捕捉移動(dòng)場(chǎng)景的精度和速度。該傳感器在低光照和明亮的場(chǎng)景中都能生成清晰的低噪聲圖像。
圖 2：安森美面向 AMR 的感知方案
位置傳感器測(cè)量 AMR 輪子和其他活動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)情況，使其能夠準(zhǔn)確跟蹤三維位置和方向。安森美 NCS32100 是一款工業(yè)用旋轉(zhuǎn)位置傳感器，兼具高精度與高速度優(yōu)勢(shì)。它采用 38mm 傳感器，可在 6,000 RPM 時(shí)提供 +/-50 角秒的精度。對(duì)于低精度應(yīng)用，它支持高達(dá) 100,000 RPM 的轉(zhuǎn)速。這款全新器件采用專(zhuān)利方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電感位置感知，非常適用于工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用。
超聲波和紅外傳感器可以測(cè)量與遠(yuǎn)程物體之間的距離，使 AMR 能夠檢測(cè)障礙物并避免碰撞。
智能照明技術(shù)
發(fā)光二極管 (LED) 等照明技術(shù)使 AMR 能夠穿行于條件惡劣的環(huán)境，并能夠在這樣的環(huán)境中開(kāi)展通信和工作。LED 也可以用于發(fā)送信號(hào)以及指示機(jī)器人的狀態(tài)或方向。選擇 AMR 照明技術(shù)時(shí)需要考慮的性能特征和參數(shù)包括亮度、色溫和功耗。LED 控制器和驅(qū)動(dòng)器組件負(fù)責(zé)監(jiān)控 LED 內(nèi)的電流，并使其發(fā)出特定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光線(xiàn)。LED 驅(qū)動(dòng)電路使用高邊和低邊功率 MOSFET 開(kāi)關(guān) LED 電流，并保護(hù)它們免受過(guò)壓和過(guò)流條件的影響，確保 LED 驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性。安森美 NCV7685 LED 線(xiàn)性電流驅(qū)動(dòng)器和 NCL31000 智能 LED 驅(qū)動(dòng)器非常適合 AMR 照明應(yīng)用。NVC7685 具有 12 個(gè)線(xiàn)性可編程恒流源，使用相同的基準(zhǔn)電壓，支持 128 個(gè)不同的可調(diào) PWM 占空比級(jí)別。NCL31000 含一個(gè)支持高帶寬模擬和 PWM 調(diào)光（降至零電流）的高效 3 安培降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)輔助 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和監(jiān)測(cè)輸入/輸出電流及電壓、LED 溫度、 DC-DC 電壓的診斷功能。
圖 3：安森美面向 AMR 的照明方案
NCL31000 支持 VLC，使用可見(jiàn)光作為載體單向傳輸數(shù)據(jù)，速率高達(dá) 10kb/s。VLC 讓 AMR 可以與其他設(shè)備和人類(lèi)進(jìn)行安全通信。由于可見(jiàn)光光譜范圍為 430 THz 至 790 THz，因此 VLC 不會(huì)影響附近的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，如藍(lán)牙? 低功耗（藍(lán)牙 LE）、Zigbee、超寬帶 (UWB) 和 Wi-Fi。VLC 非常安全，因?yàn)樗旧硎苤朴谝暰€(xiàn)范圍。AMR 的倉(cāng)庫(kù)導(dǎo)航應(yīng)用受益于 UWB、藍(lán)牙 LE (AoA/AoD) 和 Wi-Fi 室內(nèi)定位系統(tǒng) (IPS)。但是，有時(shí)射頻 (RF) 擁塞或干擾可能會(huì)影響 IPS。為了減輕這種影響，可以使用 VLC 來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有的 RF IPS。我們可以將 VLC 安裝到天花板燈具網(wǎng)格中，其中的每個(gè)天花板燈具都會(huì)發(fā)射唯一的 ID 號(hào)。如果 AMR 內(nèi)置布局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，包含每個(gè)燈具的位置和唯一 ID，則 AMR 可以借助朝向天花板的簡(jiǎn)單光電二極管進(jìn)行自我導(dǎo)航，如下圖 4 所示。
圖 4：AMR 借助 VLC 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位系統(tǒng) (IPS)
與現(xiàn)實(shí)世界的通信
通信技術(shù)使 AMR 能夠向其他設(shè)備和系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)并從中接收命令。為 AMR 選擇通信技術(shù)時(shí)，需要考慮的參數(shù)包括工作范圍、數(shù)據(jù)速率、功耗和安全性。工作范圍必須足夠長(zhǎng)，從而便于以可接受的速度與周?chē)h(huán)境中的其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行通信。收發(fā)器的功耗必須盡可能低，以延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)安全性也非常重要，以防止 AMR 的數(shù)據(jù)和命令遭到破壞。
藍(lán)牙 LE 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)專(zhuān)為低功耗設(shè)計(jì)，因此非常適合電池供電設(shè)備。該協(xié)議支持一系列數(shù)據(jù)傳輸速率，用于在 AMR 和其他設(shè)備之間傳輸傳感器數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。藍(lán)牙 LE 也可以用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，從而支持 AMR 穿行于動(dòng)態(tài)環(huán)境。安森美 RSL15 是通過(guò)藍(lán)牙 5.2 認(rèn)證的收發(fā)器，提供易于實(shí)施的藍(lán)牙 LE 無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，支持到達(dá)角 (AOA) 和出發(fā)角 (AOD) 關(guān)鍵功能，以實(shí)現(xiàn)正確的室內(nèi)定位。高度集成的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)單芯片 (SoC) 優(yōu)化了系統(tǒng)尺寸和電池壽命。它采用 ARM Cortex-M33 處理器和 2.4 GHz 收發(fā)器，支持藍(lán)牙 LE 5.2 和 2.4 GHz 自定義協(xié)議。
圖 5：安森美面向 AMR 的通信方案
工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議提供高速通信功能，用于實(shí)時(shí)控制和協(xié)調(diào)多個(gè) AMR。安森美NCN26010 10BASE-T1S 工業(yè)以太網(wǎng)收發(fā)器，可利用現(xiàn)有的雙絞線(xiàn)布線(xiàn)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的多分支以太網(wǎng)通信。該器件符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)，包括媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器 (MAC)、PLCA 協(xié)調(diào)子層 (RS) 和專(zhuān)為工業(yè)多分支以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的 10BASE-T1S PHY。它可提供通過(guò)單一的非屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸和接收數(shù)據(jù)的所有物理層功能，并可通過(guò) Open Alliance 的 MACPHY SPI 協(xié)議與主機(jī) MCU 通信。
AMR 組件選擇指南
AMR 的宗旨是與現(xiàn)實(shí)世界積極互動(dòng)，安森美支持設(shè)計(jì)人員選用適合其應(yīng)用需求的照明、感知和連接方案以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。如需深入了解 AMR 領(lǐng)域的電源和電機(jī)控制方案，請(qǐng)閱讀我們的第一篇博客“安森美的電源和電機(jī)控制方案如何應(yīng)用于自主移動(dòng)機(jī)器人”
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