本文作者：Theo Kersjes，安森美系統(tǒng)工程經(jīng)理

自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）是一種復(fù)雜的系統(tǒng)，與自動(dòng)駕駛汽車有許多共同之處--它們需要感知、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(gè)最終產(chǎn)品中--由于需要集成來(lái)自不同供應(yīng)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(fù)雜世界，并考慮選擇由一家解決方案提供商來(lái)負(fù)責(zé)AMR所有關(guān)鍵方面的設(shè)計(jì)——其優(yōu)勢(shì)包括降低設(shè)計(jì)/集成風(fēng)險(xiǎn)和縮短上市時(shí)間。

自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）主要在室內(nèi)運(yùn)行，并按照預(yù)先確定的路線行駛（通常使用地面上的線條作為引導(dǎo)），自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）則要復(fù)雜得多，能夠在室內(nèi)和室外自由導(dǎo)航，而不必遵循預(yù)定義的路線。在這方面，它們類似于自動(dòng)駕駛車輛，因?yàn)樗鼈儽仨氉R(shí)別并避開(kāi)路徑上的障礙物，無(wú)論障礙物是靜止的還是移動(dòng)的。

幾乎所有AMR的核心都是五個(gè)主要子系統(tǒng)，分別管理電源、運(yùn)動(dòng)、感知、處理和照明。每個(gè)子系統(tǒng)本身都很復(fù)雜，設(shè)計(jì)起來(lái)往往具有挑戰(zhàn)性，同時(shí)也是AMR成功運(yùn)行的基礎(chǔ)。然而，集成往往是最大的挑戰(zhàn)--尤其是從不同供應(yīng)商處采購(gòu)子系統(tǒng)或主要部件時(shí)。

圖1- 典型AMR的關(guān)鍵子系統(tǒng)

要使AMR正常運(yùn)行，子系統(tǒng)之間的信息流和功率流至關(guān)重要，這意味著要有一個(gè)通用的接口和經(jīng)過(guò)測(cè)試可協(xié)同工作的部件，以消除兼容性問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，從一個(gè)解決方案供應(yīng)商處采購(gòu)關(guān)鍵系統(tǒng)元件有助于降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短上市時(shí)間，并在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中保持領(lǐng)先地位。

構(gòu)建系統(tǒng)集成的AMR

感知對(duì)于在自由空間中導(dǎo)航的自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）至關(guān)重要，尤其是在沒(méi)有軌道或其他導(dǎo)航輔助設(shè)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(dòng)障礙物。為了克服天氣或照明條件的限制，并適應(yīng)不同的距離，會(huì)使用包括圖像傳感器、超聲波和激光雷達(dá)（LiDAR）在內(nèi)的多種技術(shù)。來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)被整合，以便更好地了解周圍環(huán)境。這種技術(shù)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(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。安森美提供從VGA到4500萬(wàn)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(dòng)態(tài)范圍方面具有業(yè)界先進(jìn)的性能，并具備如運(yùn)動(dòng)喚醒和自動(dòng)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(cè)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(dá)角（AoA）和出發(fā)角（AoD）的Bluetooth低功耗（BLE）技術(shù)微控制器，這些可以用于定位。

運(yùn)動(dòng)控制在 AMR中非常重要。通常使用無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)，需要復(fù)雜的算法進(jìn)行精確控制。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)級(jí)需要許多元器件來(lái)正確控制。NCD83591三相柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)來(lái)控制換相，非常適合用于電機(jī)控制子系統(tǒng)。

圖2- 驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)需要多個(gè)元器件協(xié)同工作

MOSFET用作開(kāi)關(guān)為電機(jī)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(jī)應(yīng)用的理想之選。MOSFET還可用于AMR內(nèi)的一般功率應(yīng)用。

圖3- PowerTrenchT10 MOSFET 的優(yōu)勢(shì)

與硅MOSFET相比，碳化硅(SiC)MOSFET 具有更高的熱導(dǎo)率和十倍的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(dāng) AMR（例如自動(dòng)叉車）變得越來(lái)越大時(shí)，電池電壓也會(huì)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。

SiCMOSFET 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠在更高溫度下工作，從而簡(jiǎn)化了散熱器設(shè)計(jì)。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(kuò)大AMR的工作范圍。

電力輸送不僅對(duì)電機(jī)控制至關(guān)重要。系統(tǒng)還需要一個(gè)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(shù)使用開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）和線性穩(wěn)壓器（LDO）來(lái)供應(yīng)邏輯和低壓電平。效率固然重要，但在整個(gè)電源架構(gòu)中部署適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施也同樣重要。安森美提供了一系列適用于AMR應(yīng)用的電子保險(xiǎn)絲（eFuse）和SmartFET解決方案。

通信對(duì)AMR至關(guān)重要，既包括AMR本身內(nèi)部的通信，也包括與配套設(shè)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(shù)時(shí)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(zhǎng)期以來(lái)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(jiǎn)便性和高性能于一身，因此越來(lái)越受歡迎。它提供通過(guò)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(guò)OPEN聯(lián)盟MAC-PHY串行外設(shè)接口(SPI)協(xié)議進(jìn)行。

無(wú)論是發(fā)送路由或配置信息以及報(bào)告位置和進(jìn)度，還是用于實(shí)時(shí)定位服務(wù)(RTLS)，外部通信對(duì)于AMR來(lái)說(shuō)也是必不可少的。安森美基于BluetoothLE 5.2 無(wú)線MCU的RSL15超低功耗ArmCortex-M33 處理器是利用到達(dá)角(AoA)和出發(fā)角(AoD)功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS)的理想選擇，它還可用于連接智能設(shè)備。RSL15內(nèi)置電源管理、寬電源電壓范圍、靈活的GPIO和時(shí)鐘電路以及豐富的外設(shè)，為AMR設(shè)計(jì)人員提供了最大的設(shè)計(jì)靈活性。

照明子系統(tǒng)用于向周圍的人員和其他AMR傳達(dá)AMR的狀態(tài)、狀況和意圖。選擇AMR照明技術(shù)時(shí)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(dòng)器監(jiān)控流經(jīng)LED的電流，并使LED發(fā)出特定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光。LED驅(qū)動(dòng)電路使用高壓側(cè)和低壓側(cè)功率MOSFET來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷LED電流，同時(shí)防止過(guò)壓和過(guò)流情況，并確保LED驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性。

對(duì)AMR解決方案的支持

選擇一家解決方案提供商可能是一個(gè)有風(fēng)險(xiǎn)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(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中提供的支持，以及在需要的時(shí)間和地點(diǎn)提供產(chǎn)品的能力。

作為一家擁有豐富行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的老牌供應(yīng)商，安森美能夠提供系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用支持。我們的全球銷售和技術(shù)團(tuán)隊(duì)網(wǎng)絡(luò)可以不受地區(qū)、時(shí)區(qū)和語(yǔ)言的限制，提供一線支持。

除了現(xiàn)場(chǎng)支持，用戶還可以訪問(wèn)我們的在線技術(shù)支持中心。安森美社區(qū)論壇是一個(gè)在線開(kāi)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(guān)于產(chǎn)品和應(yīng)用的豐富知識(shí)。用戶可以通過(guò)一些特定主題的產(chǎn)品論壇區(qū)域訪問(wèn)該論壇，與業(yè)內(nèi)同行互動(dòng)，提出或回答問(wèn)題。幫助庫(kù)也是了解常見(jiàn)問(wèn)題 (FAQ)和答案的好地方。對(duì)于喜歡更多互動(dòng)的用戶，由AI驅(qū)動(dòng)的聊天機(jī)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(fèi)自助服務(wù)工具，包括交互式框圖、ProductRecommendation Tools+TM產(chǎn)品推薦工具和大量評(píng)估板/套件，以促進(jìn)快速原型開(kāi)發(fā)。電力電子設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)這些仿真工具非常有用。ElitePower Simulator仿真工具和自助式 PLECS模型生成工具不僅可以通過(guò)對(duì)實(shí)際元器件性能建模以提高準(zhǔn)確性，還能加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

當(dāng)然，上述一切只有在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成并投入生產(chǎn)后才有價(jià)值。安森美具備內(nèi)外部雙重制造能力，這增加了供應(yīng)鏈的韌性并提升了供應(yīng)保障。

結(jié)語(yǔ)

AMR是一種高效、可靠的運(yùn)送包裹和執(zhí)行其他物流任務(wù)的方式，因此越來(lái)越受歡迎。然而，完全自主行駛需要高度的復(fù)雜性和安全性，這一點(diǎn)與汽車并無(wú)二致。

也許最大的設(shè)計(jì)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(lái)自不同的供應(yīng)商，其兼容性很可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

作為一家解決方案供應(yīng)商，安森美的獨(dú)特之處在于可以為AMR的設(shè)計(jì)提供一整套極其先進(jìn)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。