设计自主移动机器人，请务必考虑这些要点和方案

作者：Hunter Freberg，安森美技术营销工程师

Bob Card，安森美 先进方案部(ASG) 营销经理

图 1：基于安森美产品的自主移动机器人 (AMR) 方案

在工厂中，AMR 可用于运输货物，并协助实施质量控制程序。在物流和仓储中，AMR 可以帮助装卸货物。对于农业生产，AMR 有助于更精确地监测作物和分析土壤，从而提高生产力。对于零售和酒店业，AMR 可以配送订单并引导客人，让员工能够腾出时间来与客户互动，从而提供更好的客户服务。随着基础技术的发展，部署 AMR 的应用和行业将越来越多。

研讨会预告

图像传感器相当于AMR的眼睛，图像传感器的成像质量对AMR来说至关重要。安森美（onsemi）近期推出的适用于工业和商业相机的Hyperlux LP图像传感器系列基于1.4 µm 像素，提供业界领先的图像质量和低功耗，同时大幅提高图像性能，即使在恶劣的照明条件下也能捕获清晰、生动的图像，能够帮助您更好地完成视觉产品的创新！

直播主题

安森美领先的成像技术助您推进视觉产品创新

直播时间

11月8日（周三）上午10:00-11:30

直播介绍

本次在线研讨会将介绍安森美(onsemi)两款全新的传感器，能应用于工业自动化、智能家居/楼宇、机器人、安防/监控等众多应用。

全新的20 MP高分辨率传感器 AR2020 具有行业领先的能效和性能、75dB 扩展动态范围(eDR)以及>100dB，带行交错 HDR (LI-HDR)。其高量子效率 (QE)能在低光条件下提供卓越的性能。另一款低功耗 8 MP 4K卷帘动快门RGBIR 图像传感器 AR0830 具有领先的低旋旋光性能 (SNR1 1.1 lux)， 良好的动态范围 (94dB) ，单次曝光片上 xDR，以及双重曝光片外 LI-HDR，支持主流视频格式（4K 60fps、1080P 120fps）。

研讨会将同时介绍适用于门禁及会议应用的运动唤醒功能 (wake-on-motion)，包含了其原理及演示。安森美卓越的成像技术有助于您的产品创新。

专家介绍

Bing Yan

安森美智能感知事业部

高级应用工程师

Bing Yan负责软件开发工作，涉及参考方案设计、演示原型生产调试以及推广支持中的驱动及应用软件。他拥有丰富的工业、消费类等领域的成像系统的软件开发及产品化经验。

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AMR 中的执行器由电机驱动，使机械臂、升降平台和轮子可以运动，因此非常重要。选择执行器时，需要对无刷直流 (BLDC) 电机、电机控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和栅极驱动器等组件进行评估。BLDC 电机效率高、噪音小、维护需求少（因此更加可靠）。由于这些原因，BLDC 电机在 AMR 中很受欢迎。电机控制器具有高扭矩重量比，因此能够以精确的运动曲线来管理电机的速度和方向。这些功能可以完全集成（采用嵌入式控制算法），或使用专用微控制器单元 (MCU) 来实现控制算法。AMR 中常见的三相 BLDC 电机由电机绕组上连接的三个高边和三个低边功率晶体管驱动，这样它们就可以为这些线圈通电并产生磁场，使转子旋转。  换向算法用于生成脉宽调制 (PWM) 信号，PWM 信号作用于这些开关以使其接通和断开。换向方案的一些例子包括正弦、梯形和磁场定向控制。AMR 中使用的 BLDC 通常为 48V 或更低，因此 AMR 中使用的电机控制开关通常是硅基开关。为了快速开发 AMR，安森美提供了多种 BLDC 电机控制方案，包括 24V 至 600V 的 ECS640A ecoSpin™ ARM Cortex BLDC 电机控制器，它集成了三相栅极驱动器、精密检测放大器 (4x) 和自举二极管。安森美还提供 NCD83591 5V 至 60V 三相 BLDC 栅极驱动器，作为低成本方案。

此外，安森美提供基于 Xilinx® Zynq®-7000 SoC 的 BLDC 系统级模块 (SoM)。该 UCB 非常适合需要精密控制的应用，也可用于实现人工智能 (AI) 功能。针对 AMR 中的高性能电机应用，安森美提供了一系列中压 (MV) MOSFET。安森美最新的 T10 硅 MOSFET 基于屏蔽栅极沟槽技术，具有更低的导通电阻 (R_DSon)、更低的栅极电荷和固有的类似缓冲器的功能，可减少过冲并最大限度地降低振铃。安森美 40V 和 80V T10 MOSFET 具有出色的 R_DSon，分别为 0.42mΩ 和 1.5mΩ。  它们还提供更低的栅极电荷和出色的软恢复功能，以降低电压尖峰。有关 NTMFS0D4N04XM、NTMFWS1D5N08 以及其他中压 MOSFET 产品的更多信息，请联系安森美。

AMR 需要监测环境并与之交互，为此需要不同类型的传感器来收集相关数据。AMR 中常用的传感器包括温度传感器、图像传感器、LiDAR（用于 3D 测绘）、旋转运动传感器和可见光通信 (VLC) 传感器。图像传感器和图像信号处理器赋能视觉感知，使 AMR能 检测和识别物体，从而在环境中导航，然后采取适当的行动。安森美提供的全局快门和卷帘快门图像传感器非常适合这种应用。例如，AR0234CS 图像传感器基于创新的全局快门像素设计，并经过优化，能以全分辨率精确捕捉快速移动的场景（每秒 120 帧），为机器视觉或条形码扫描生成清晰的图像。位置传感器会测量机器人的轮子或其他活动部件的旋转情况，使其能够准确跟踪位置和方向。超声波和红外传感器可以测量与远程物体的距离，使 AMR 能够检测障碍物并避免碰撞。安森美的NCS32100 是一款工业用旋转位置传感器，兼具高精度与高速度优势。它采用 38mm 传感器，可在 6,000 RPM转速 时提供 +/-50 角秒的精度。对于低精度应用，它支持高达 100,000 RPM 的转速。这款全新器件采用专利方法来实现电感位置感知，非常适用于工业和机器人应用。

电源和电源树(Power Tree)技术是影响 AMR 电池寿命和运行能力的关键因素。选择 AMR 电源系统时，重要的性能特征和参数包括：能量密度、电压和电流要求、效率及方案尺寸。锂离子电池具有高能量密度和长使用寿命，常用于 AMR 。电源管理单元会调节从电池到其他器件的功率流，而由开关转换器和稳压器组成的电源树则确保它们接收到适当的电压和电流。例如，FAN65008B 同步 PWM 降压稳压器可将 48V 输入降压为 28V 输出，同时为恒定的 10A 直流负载供电，峰值效率可达 98%。

在功率达1kW 的电源中，将交流电转换为直流电，可采用NCP1632 功率因数控制器 (PFC)、NCP1399 LLC 控制器结合 NCP4307 同步整流器控制器 (SRC) ，以优化能效从。

安森美 EliteSiC 碳化硅 MOSFET 非常适合高功率应用（通常大于 3kW ）中的 AC-DC 和 DC-DC 电源转换。  为了给 AMR 的电池充电，必须将住宅或工业交流电源转换为可用的中压直流输出。  AC-DC 前端和 DC-DC 转换器的初级侧均可利用 EliteSiC FET的优势。  DC-DC 转换器的次级侧可以使用经过开关优化的安森美沟槽 MOSFET。

发光二极管 (LED) 等照明技术的重要性在于，它们使 AMR 能够在各种环境中导航、通信和工作。照明还用于发出信号并指示 AMR 的状态或方向。为 AMR 选择照明技术时，需要考虑的性能特征和参数包括亮度、色温和功耗。LED 控制器和驱动器是关键组件，负责监控 LED 内的电流，并使其发出特定强度和波长的光线。LED 驱动电路使用高边和低边功率 MOSFET 来导通和关断 LED 电流，防止受到过压和过流条件的影响，并确保 LED 驱动电路的稳定性。安森美 NCV7685 LED 线性电流驱动器和 NCL31000 智能 LED 驱动器非常适合 AMR 照明应用。NCV7685 具有 12 个线性可编程恒流源，使用相同的基准电压，支持 128 个不同的可调 PWM 占空比级别。NCL31000 采用高效率降压 LED 驱动器，支持高带宽模拟和 PWM 调光（降至零电流），并有两个辅助 DC-DC 转换器和诊断功能，以监测输入和输出电流和电压、LED 温度以及 DC-DC 电压。

NCL31000 支持可见光通信 (VLC)，使用可见光作为载体单向传输数据，速率高达 10kb/s。VLC 支持 AMR 与其他设备和人类进行安全通信。由于可见光光谱范围为 430 THz 至 790 THz，因此 VLC 不会影响附近的无线技术，如蓝牙® 低功耗（蓝牙 LE）、Zigbee、UWB 和 Wi-Fi。VLC 非常安全，因为本质上只能在视线范围内发挥作用。得益于 UWB、蓝牙 LE (AoA/AoD) 和 Wi-Fi 室内定位系统 (IPS) ，AMR 可用于仓库导航应用。但是，有时 RF 拥塞或干扰可能会影响 IPS。为了减轻这种影响，可以使用 VLC 来补充现有的 RF IPS，将 VLC 安装到天花板灯具电源系统中，每个天花板灯具将发射唯一的 ID 号。如果 AMR 内置布局数据库，包含每个灯具的位置和唯一 ID，则 AMR 可以借助朝向天花板的简单光电二极管进行自我导航，如下图 2 所示。

图 2：AMR 借助 VLC 实现室内定位系统 (IPS)

无线通信技术使 AMR 能够传输数据和接收命令，从而与其他设备和系统进行通信和交互，因此对于 AMR 至关重要。为 AMR 选择通信技术时，需要考虑的性能特征和参数包括：工作范围、数据速率、功耗和安全性。在工作范围内，AMR 必须能够以适当的数据速率与环境中的其他设备和系统充分通信。功耗必须足够低，以尽可能延长电池寿命，而安全性对于保护 AMR 数据和命令免遭非法访问或泄露至关重要。蓝牙低功耗无线通信技术专为低功耗设计，因此非常适合电池供电设备。它支持一系列数据传输速率，用于在 AMR 和其他设备之间传输传感器数据和控制信号。蓝牙 LE 也可以用于室内定位系统，支持 AMR 在动态环境中导航。安森美 RSL15 是通过蓝牙 5.2 认证的收发器，提供易于实施的蓝牙 LE 无线应用，支持到达角 (AOA) 和出发角 (AOD) 关键功能，以实现精确的室内定位系统 (IPS)。高度集成的无线系统单芯片 (SoC) 优化了系统尺寸和电池寿命。它采用 ARM Cortex-M33 处理器和 2.4 GHz 收发器，支持蓝牙 LE 5.2 和 2.4 GHz 自定义协议。

各个 AMR 还需要内置有线数字通信，以便在板载中央计算机与各个电机控制器、照明控制器、传感器之间提供实时控制。CAN (2Mbps) 或 CAN-FD (5Mbps) 多年来一直是典型的首选协议。两种协议均通过 UTP（非屏蔽双绞线）电缆进行通信，各个节点可以配置为菊花链、多分支拓扑，以缩减电缆重量和成本。以太网联盟最近推出了 10BASE-T1S (10Mbps)，这是一种基于以太网 IP 的数字通信协议，也能够在包含最少 8 个节点的菊花链、多分支拓扑上，通过最少 25 米的 UTP 或单对以太网 (SPE) 进行通信。10BASE-T1S 相对于 CAN 和 CAN-FD 的主要优势是数据速率更快，而且从主体到边缘节点是全 IP 以太网通信协议域，有利于人工智能 (AI) 和机器学习。

安森美 NCN26010 10BASE-T1S 工业以太网收发器可利用现有的双绞线布线实现工业应用的多分支以太网通信。该器件符合 IEEE 802.3cg 标准，包括媒体访问控制器 (MAC)、PLCA 协调子层 (RS) 和专为工业多分支以太网设计的 10BASE-T1S PHY。它可提供通过单一的非屏蔽双绞线传输和接收数据的所有物理层功能，并可通过 Open Alliance 的 MACPHY SPI 协议与主机 MCU 通信。

AMR 在众多行业中的应用持续增长。然而，复杂的 AMR 系统需要集成多种不同的技术才能自主、可靠、安全地运行。因此，AMR 应用能否成功，取决于设计阶段是否选择了合适的技术。