【技术干货】先进传感器提升自主移动机器人的控制能力

艾睿电子 2024-04-23 17:59

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先进传感器提升自主移动

机器人的控制能力

随着人工智能的进步，结合日益先进的传感器和控制算法，机器人变得越来越智能，他们现在可以自主执行复杂的任务，例如移动、抓取和定位物体。目前自主移动机器人（AMR）已在制造、医疗保健、物流和仓储等各个行业中流行起来。本文将为您介绍自主移动机器人的架构与发展，以及艾睿电子与合作伙伴意法半导体（ST）与安森美（onsemi）的相关解决方案。

自主移动机器人推动工业5.0发展

自主移动机器人泛指一种能够独立理解环境并在其环境中移动的机器人，自主移动机器人与其前身自动导引车（AGV）不同，后者依赖于轨道或预定义路径，并且通常需要操作员监督。

自主移动机器人具有多种优势，例如提高效率、降低劳动力成本和提高安全性。它们可以运输货物、在工作站之间移动物品，以及在制造过程中执行质量控制任务。此外，自主移动机器人也适合应用在医疗保健、物流仓储、农业、零售、餐饮业、酒店业等领域，随着技术的进步，未来自主移动机器人将会有更多创新和实际应用。

目前自主移动机器人在工业应用的发展极为快速，结合工业5.0这个热门名词，代表着极为可观的市场发展商机。工业5.0不仅是工业4.0的技术升级，更是一种全新的产业哲学，它强调人与机器的协同合作，将人的创造性与机器的效能完美结合，以实现更高的生产质量和工作效率。

不同于工业4.0仅仅专注于机器和数据分析，工业5.0更进一步强调人的创造性和机器的效能结合，强调人与机器的和谐共存，人类与先进技术和人工智能驱动的机器人一起工作，可改善工作场所流程与增强弹性，这不仅能减少人力成本，也能提升工作质量。越来越智能的自主移动机器人，将在工业5.0的人机协作扮演关键的角色。

机器人通过传感器来感知实体世界

随着自主移动机器人变得更加智能并能够与人类交互和协作，其所涉及的技术数量也在增加，例如运动、机器视觉、自主导航、传感和连接。设计自主移动机器人涉及各种重要组件，例如无刷直流电机、传感器、电源、照明和通信。由于篇幅有限，以下将以传感器为主轴进行介绍。

在自主移动机器人应用中，传感器扮演着关键的角色，通过传感器，机器人可以感知实体世界，判断物件、距离、方向等环境数据，结合算法来判断移动方向与速度，躲避障碍物与找出最佳路径，是自主移动机器人的重要感官。

随着传感器技术不断发展，新的进步使自主移动机器人能够在复杂的环境中导航，并以更高的准确性和精度与周围环境进行交互。自主移动机器人使用多种传感器来满足不同的传感要求，像是图像传感器、激光雷达系统、位置传感器、可见光通信（VLC）驱动器等。

图像传感器和图像信号处理器可用于视觉感知，使机器人能够检测和识别物体并在环境中导航。激光雷达系统（LiDAR）则用于3D测绘和避障，使机器人能够在复杂的环境中导航。

位置传感器则可测量机器人轮子或其他运动部件的旋转，使其能够准确跟踪其在3D空间中的位置和方向。超声波和红外传感器测量与物体的距离，使机器人能够检测障碍物并避免碰撞。可见光通信驱动器则使用可见光传输数据，这些驱动器可使机器人能够与其他设备进行通信，包括自主移动机器人和人类用户。以下将为您介绍一些新推出的先进传感器供您选择与参考。

意法半导体先进的加速度与距离传感器

由意法半导体推出的ISM330DHCX是一款系统级封装器件，具有专为工业应用量身定制的高性能3D数字加速计和3D数字陀螺仪，这款意法半导体的MEMS传感器模块系列，采用专门的微型机械加工工艺制造，而IC接口则使用CMOS技术开发，可以设计出专用电路，对该电路进行修调可以更好地匹配传感器件的特性。在ISM330DHCX中，加速度计和陀螺仪的传感组件在同一硅芯片上实现，从而保证了卓越的稳定性和稳健性。

ISM330DHCX的加速计可选量程为±2/±4/±8/±16 g，陀螺仪可选量程为±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000 dps，能够用在各种应用中。ISM330DHCX在所有设计环节和校准方面进行了优化，实现了极高的精度、稳定性、极低噪声和完全的数据同步。

ISM330DHCX内置一组前所未有的嵌入式功能（机器学习内核、可编程FSM、FIFO、Sensor Hub、事件解码和中断）推动实现智能和复杂的传感器节点，以非常低的功率提供高性能。ISM330DHCX采用14引线塑料焊盘栅格阵列（LGA）封装。

在测量距离方面，意法半导体新款的VL53L8CX是高性能的低功耗8x8多区域飞行时间（ToF）传感器，它在环境光下能够在降低功耗的同时增强性能。该传感器基于意法半导体的FlightSense技术设计，能够提供最高400 cm的精确测距，并具有65°对角线视场。

VL53L8CX集成了功能强大的新一代VCSEL（垂直腔面发射激光器），以及两个先进的超表面镜头。硬件封装在创新的“一体化”模块中，这使得它能够适用于更广泛的高性能应用场景，如低功耗系统激活、手势识别、机器人SLAM（同时定位与地图构建）、液位监控等多种用途。

VL53L8CX采用意法半导体的专利算法，可以检测和跟踪视场内的多个目标，具有64区域深度测量能力。意法半导体的直方图确保盖片玻璃串扰抗扰度超过60 cm。与所有基于意法半导体FlightSense技术的ToF传感器一样，VL53L8CX能够测量绝对距离，不受目标颜色和反射率的影响。VL53L8CX并支持SPI和I²C接口，确保高频帧率和短启动时间。

VL53L8CX的VCSEL发射940 nm的完全不可见红外光，这种VCSEL具有1级认证，对眼睛是安全的。使用VL53L8CP可以进行场景浏览和多区域检测，这归因于软件可定制的检测阵列，它能快速且低功耗地检测到人体存在，此类检测被称为微深度图。

安森美的新款旋转位置传感器

与图像传感器

另一方面，安森美推出的NCS32100工业旋转位置传感器，提供了全功能控制器和传感器接口，与印刷电路板传感器配合使用时，可实现高分辨率、高精度角度传感。NCS32100具有灵活的配置功能，允许连接到各种电感式传感器模式，并提供各种数字输出格式。与传统位置传感器解决方案相比，电感传感技术具有独特的优势，包括但不限于对温度不敏感、机械简化和对污染物不敏感等特性。

NCS32100支持2.5MHz UART接口，用于连接半双工RS-485驱动器，支持6000 rpm的全精度最大速度，最大功能转子速度可达45000 rpm，采用2.7V - 5.5V电源电压范围，支持电池备份以进行多圈计数跟踪，传感器接口具高度可配置能力（最多8个通道），并可通过可编程的过温阈值报告内部器件温度，以及通过可编程低电池阈值报告备用电池电压。

NCS32100的外部主数据采集命令响应时间为3µs，全工作电流为80mA，支持自校准功能，具有20位位置分辨率、24位多圈分辨率，并支持延迟取消功能。NCS32100可应用于工业自动化、机器人／协作机器人、角位置和速度传感、伺服控制等领域，最终产品为编码器模块。

安森美拥有完整且多样的图像传感器产品线，其中这款AR0822 CMOS图像传感器是一款基于2.0 µm像素的8兆像素（MP）堆叠式1/1.8英寸（8.81毫米对角线）BSI（背面照明）CMOS数字图像传感器。它具有3840 (H) x 2160 (V)的有源像素阵列，能够以每秒60帧（fps）的速度播放4K视频，以线性或eHDR模式（120 dB）滚动捕捉图像快门读数，提供出色的视频性能。

AR0822可在3次曝光中以30 fps快速、全分辨率捕捉3840 X 2160的视频，嵌入式高动态范围（eHDR）高达120 dB，可在具有灵活曝光比控制的先进传感器上进行eHDR重建，支持两条曝光线Li-HDR输出，具备运动唤醒功能与扩展动态范围（eDR），智能线性化可最大限度地减少运动伪影和LED闪烁。AR0822可应用于安全和监控摄像头、机器人技术、车辆仪表盘摄像头等领域。

结语

自主移动机器人在各个行业中变得越来越重要，其成功取决于为其设计和开发精心选择理想的技术，以优化自主移动机器人的性能，并确保其满足应用的特定要求。随着传感器技术的快速发展，自主移动机器人变得越来越复杂和强大，能够以更高的效率和精度执行更复杂的任务，这也拓展了其应用领域。本文介绍的几款新型传感器，将有助于客户快速开发自主移动机器人，若想了解更多细节，请直接与艾睿电子联系。