設計自主移動機器人，請務必考慮這些要點和方案

作者：Hunter Freberg，安森美技術營銷工程師

Bob Card，安森美 先進方案部(ASG) 營銷經理

圖 1：基于安森美產品的自主移動機器人 (AMR) 方案

在工廠中，AMR 可用于運輸貨物，并協助實施質量控制程序。在物流和倉儲中，AMR 可以幫助裝卸貨物。對于農業生產，AMR 有助于更精確地監測作物和分析土壤，從而提高生產力。對于零售和酒店業，AMR 可以配送訂單并引導客人，讓員工能夠騰出時間來與客戶互動，從而提供更好的客戶服務。隨著基礎技術的發展，部署 AMR 的應用和行業將越來越多。

研討會預告

圖像傳感器相當于AMR的眼睛，圖像傳感器的成像質量對AMR來說至關重要。安森美（onsemi）近期推出的適用于工業和商業相機的Hyperlux LP圖像傳感器系列基于1.4 μm 像素，提供業界領先的圖像質量和低功耗，同時大幅提高圖像性能，即使在惡劣的照明條件下也能捕獲清晰、生動的圖像，能夠幫助您更好地完成視覺產品的創新！

直播主題

安森美領先的成像技術助您推進視覺產品創新

直播時間

11月8日（周三）上午10:00-11:30

直播介紹

本次在線研討會將介紹安森美(onsemi)兩款全新的傳感器，能應用于工業自動化、智能家居/樓宇、機器人、安防/監控等眾多應用。

全新的20 MP高分辨率傳感器 AR2020 具有行業領先的能效和性能、75dB 擴展動態范圍(eDR)以及>100dB，帶行交錯 HDR (LI-HDR)。其高量子效率 (QE)能在低光條件下提供卓越的性能。另一款低功耗 8 MP 4K卷簾動快門RGBIR 圖像傳感器 AR0830 具有領先的低旋旋光性能 (SNR1 1.1 lux)， 良好的動態范圍 (94dB) ，單次曝光片上 xDR，以及雙重曝光片外 LI-HDR，支持主流視頻格式（4K 60fps、1080P 120fps）。

研討會將同時介紹適用于門禁及會議應用的運動喚醒功能 (wake-on-motion)，包含了其原理及演示。安森美卓越的成像技術有助于您的產品創新。

專家介紹

Bing Yan

安森美智能感知事業部

高級應用工程師

Bing Yan負責軟件開發工作，涉及參考方案設計、演示原型生產調試以及推廣支持中的驅動及應用軟件。他擁有豐富的工業、消費類等領域的成像系統的軟件開發及產品化經驗。

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AMR 中的執行器由電機驅動，使機械臂、升降平臺和輪子可以運動，因此非常重要。選擇執行器時，需要對無刷直流 (BLDC) 電機、電機控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和柵極驅動器等組件進行評估。BLDC 電機效率高、噪音小、維護需求少（因此更加可靠）。由于這些原因，BLDC 電機在 AMR 中很受歡迎。電機控制器具有高扭矩重量比，因此能夠以精確的運動曲線來管理電機的速度和方向。這些功能可以完全集成（采用嵌入式控制算法），或使用專用微控制器單元 (MCU) 來實現控制算法。AMR 中常見的三相 BLDC 電機由電機繞組上連接的三個高邊和三個低邊功率晶體管驅動，這樣它們就可以為這些線圈通電并產生磁場，使轉子旋轉。? 換向算法用于生成脈寬調制 (PWM) 信號，PWM 信號作用于這些開關以使其接通和斷開。換向方案的一些例子包括正弦、梯形和磁場定向控制。AMR 中使用的 BLDC 通常為 48V 或更低，因此 AMR 中使用的電機控制開關通常是硅基開關。為了快速開發 AMR，安森美提供了多種 BLDC 電機控制方案，包括 24V 至 600V 的 ECS640A ecoSpin? ARM Cortex BLDC 電機控制器，它集成了三相柵極驅動器、精密檢測放大器 (4x) 和自舉二極管。安森美還提供 NCD83591 5V 至 60V 三相 BLDC 柵極驅動器，作為低成本方案。

此外，安森美提供基于 Xilinx? Zynq?-7000 SoC 的 BLDC 系統級模塊 (SoM)。該 UCB 非常適合需要精密控制的應用，也可用于實現人工智能 (AI) 功能。針對 AMR 中的高性能電機應用，安森美提供了一系列中壓 (MV) MOSFET。安森美最新的 T10 硅 MOSFET 基于屏蔽柵極溝槽技術，具有更低的導通電阻 (R_DSon)、更低的柵極電荷和固有的類似緩沖器的功能，可減少過沖并最大限度地降低振鈴。安森美 40V 和 80V T10 MOSFET 具有出色的 R_DSon，分別為 0.42mΩ 和 1.5mΩ。? 它們還提供更低的柵極電荷和出色的軟恢復功能，以降低電壓尖峰。有關 NTMFS0D4N04XM、NTMFWS1D5N08 以及其他中壓 MOSFET 產品的更多信息，請聯系安森美。

AMR 需要監測環境并與之交互，為此需要不同類型的傳感器來收集相關數據。AMR 中常用的傳感器包括溫度傳感器、圖像傳感器、LiDAR（用于 3D 測繪）、旋轉運動傳感器和可見光通信 (VLC) 傳感器。圖像傳感器和圖像信號處理器賦能視覺感知，使 AMR能 檢測和識別物體，從而在環境中導航，然后采取適當的行動。安森美提供的全局快門和卷簾快門圖像傳感器非常適合這種應用。例如，AR0234CS 圖像傳感器基于創新的全局快門像素設計，并經過優化，能以全分辨率精確捕捉快速移動的場景（每秒 120 幀），為機器視覺或條形碼掃描生成清晰的圖像。位置傳感器會測量機器人的輪子或其他活動部件的旋轉情況，使其能夠準確跟蹤位置和方向。超聲波和紅外傳感器可以測量與遠程物體的距離，使 AMR 能夠檢測障礙物并避免碰撞。安森美的NCS32100 是一款工業用旋轉位置傳感器，兼具高精度與高速度優勢。它采用 38mm 傳感器，可在 6,000 RPM轉速 時提供 +/-50 角秒的精度。對于低精度應用，它支持高達 100,000 RPM 的轉速。這款全新器件采用專利方法來實現電感位置感知，非常適用于工業和機器人應用。

電源和電源樹(Power Tree)技術是影響 AMR 電池壽命和運行能力的關鍵因素。選擇 AMR 電源系統時，重要的性能特征和參數包括：能量密度、電壓和電流要求、效率及方案尺寸。鋰離子電池具有高能量密度和長使用壽命，常用于 AMR 。電源管理單元會調節從電池到其他器件的功率流，而由開關轉換器和穩壓器組成的電源樹則確保它們接收到適當的電壓和電流。例如，FAN65008B 同步 PWM 降壓穩壓器可將 48V 輸入降壓為 28V 輸出，同時為恒定的 10A 直流負載供電，峰值效率可達 98%。

在功率達1kW 的電源中，將交流電轉換為直流電，可采用NCP1632 功率因數控制器 (PFC)、NCP1399 LLC 控制器結合 NCP4307 同步整流器控制器 (SRC) ，以優化能效從。

安森美 EliteSiC 碳化硅 MOSFET 非常適合高功率應用（通常大于 3kW ）中的 AC-DC 和 DC-DC 電源轉換。? 為了給 AMR 的電池充電，必須將住宅或工業交流電源轉換為可用的中壓直流輸出。? AC-DC 前端和 DC-DC 轉換器的初級側均可利用 EliteSiC FET的優勢。? DC-DC 轉換器的次級側可以使用經過開關優化的安森美溝槽 MOSFET。

發光二極管 (LED) 等照明技術的重要性在于，它們使 AMR 能夠在各種環境中導航、通信和工作。照明還用于發出信號并指示 AMR 的狀態或方向。為 AMR 選擇照明技術時，需要考慮的性能特征和參數包括亮度、色溫和功耗。LED 控制器和驅動器是關鍵組件，負責監控 LED 內的電流，并使其發出特定強度和波長的光線。LED 驅動電路使用高邊和低邊功率 MOSFET 來導通和關斷 LED 電流，防止受到過壓和過流條件的影響，并確保 LED 驅動電路的穩定性。安森美 NCV7685 LED 線性電流驅動器和 NCL31000 智能 LED 驅動器非常適合 AMR 照明應用。NCV7685 具有 12 個線性可編程恒流源，使用相同的基準電壓，支持 128 個不同的可調 PWM 占空比級別。NCL31000 采用高效率降壓 LED 驅動器，支持高帶寬模擬和 PWM 調光（降至零電流），并有兩個輔助 DC-DC 轉換器和診斷功能，以監測輸入和輸出電流和電壓、LED 溫度以及 DC-DC 電壓。

NCL31000 支持可見光通信 (VLC)，使用可見光作為載體單向傳輸數據，速率高達 10kb/s。VLC 支持 AMR 與其他設備和人類進行安全通信。由于可見光光譜范圍為 430 THz 至 790 THz，因此 VLC 不會影響附近的無線技術，如藍牙? 低功耗（藍牙 LE）、Zigbee、UWB 和 Wi-Fi。VLC 非常安全，因為本質上只能在視線范圍內發揮作用。得益于 UWB、藍牙 LE (AoA/AoD) 和 Wi-Fi 室內定位系統 (IPS) ，AMR 可用于倉庫導航應用。但是，有時 RF 擁塞或干擾可能會影響 IPS。為了減輕這種影響，可以使用 VLC 來補充現有的 RF IPS，將 VLC 安裝到天花板燈具電源系統中，每個天花板燈具將發射唯一的 ID 號。如果 AMR 內置布局數據庫，包含每個燈具的位置和唯一 ID，則 AMR 可以借助朝向天花板的簡單光電二極管進行自我導航，如下圖 2 所示。

圖 2：AMR 借助 VLC 實現室內定位系統 (IPS)

無線通信技術使 AMR 能夠傳輸數據和接收命令，從而與其他設備和系統進行通信和交互，因此對于 AMR 至關重要。為 AMR 選擇通信技術時，需要考慮的性能特征和參數包括：工作范圍、數據速率、功耗和安全性。在工作范圍內，AMR 必須能夠以適當的數據速率與環境中的其他設備和系統充分通信。功耗必須足夠低，以盡可能延長電池壽命，而安全性對于保護 AMR 數據和命令免遭非法訪問或泄露至關重要。藍牙低功耗無線通信技術專為低功耗設計，因此非常適合電池供電設備。它支持一系列數據傳輸速率，用于在 AMR 和其他設備之間傳輸傳感器數據和控制信號。藍牙 LE 也可以用于室內定位系統，支持 AMR 在動態環境中導航。安森美 RSL15 是通過藍牙 5.2 認證的收發器，提供易于實施的藍牙 LE 無線應用，支持到達角 (AOA) 和出發角 (AOD) 關鍵功能，以實現精確的室內定位系統 (IPS)。高度集成的無線系統單芯片 (SoC) 優化了系統尺寸和電池壽命。它采用 ARM Cortex-M33 處理器和 2.4 GHz 收發器，支持藍牙 LE 5.2 和 2.4 GHz 自定義協議。

各個 AMR 還需要內置有線數字通信，以便在板載中央計算機與各個電機控制器、照明控制器、傳感器之間提供實時控制。CAN (2Mbps) 或 CAN-FD (5Mbps) 多年來一直是典型的首選協議。兩種協議均通過 UTP（非屏蔽雙絞線）電纜進行通信，各個節點可以配置為菊花鏈、多分支拓撲，以縮減電纜重量和成本。以太網聯盟最近推出了 10BASE-T1S (10Mbps)，這是一種基于以太網 IP 的數字通信協議，也能夠在包含最少 8 個節點的菊花鏈、多分支拓撲上，通過最少 25 米的 UTP 或單對以太網 (SPE) 進行通信。10BASE-T1S 相對于 CAN 和 CAN-FD 的主要優勢是數據速率更快，而且從主體到邊緣節點是全 IP 以太網通信協議域，有利于人工智能 (AI) 和機器學習。

安森美 NCN26010 10BASE-T1S 工業以太網收發器可利用現有的雙絞線布線實現工業應用的多分支以太網通信。該器件符合 IEEE 802.3cg 標準，包括媒體訪問控制器 (MAC)、PLCA 協調子層 (RS) 和專為工業多分支以太網設計的 10BASE-T1S PHY。它可提供通過單一的非屏蔽雙絞線傳輸和接收數據的所有物理層功能，并可通過 Open Alliance 的 MACPHY SPI 協議與主機 MCU 通信。

AMR 在眾多行業中的應用持續增長。然而，復雜的 AMR 系統需要集成多種不同的技術才能自主、可靠、安全地運行。因此，AMR 應用能否成功，取決于設計階段是否選擇了合適的技術。