自主移动机器人设计指南

本文作者：Theo Kersjes，安森美系统工程经理

自主移动机器人（AMR）是一种复杂的系统，与自动驾驶汽车有许多共同之处--它们需要感知、电机驱动、电源转换、照明和电池管理。也许最大的挑战是将这些子系统整合到一个最终产品中--由于需要集成来自不同供应商的不同子系统，这一挑战变得更加困难。

本文将探讨AMR的复杂世界，并考虑选择由一家解决方案提供商来负责AMR所有关键方面的设计——其优势包括降低设计/集成风险和缩短上市时间。

自动导引车（AGV）主要在室内运行，并按照预先确定的路线行驶（通常使用地面上的线条作为引导），自主移动机器人（AMR）则要复杂得多，能够在室内和室外自由导航，而不必遵循预定义的路线。在这方面，它们类似于自动驾驶车辆，因为它们必须识别并避开路径上的障碍物，无论障碍物是静止的还是移动的。

几乎所有AMR的核心都是五个主要子系统，分别管理电源、运动、感知、处理和照明。每个子系统本身都很复杂，设计起来往往具有挑战性，同时也是AMR成功运行的基础。然而，集成往往是最大的挑战--尤其是从不同供应商处采购子系统或主要部件时。

图1- 典型AMR的关键子系统

要使AMR正常运行，子系统之间的信息流和功率流至关重要，这意味着要有一个通用的接口和经过测试可协同工作的部件，以消除兼容性问题。简单来说，从一个解决方案供应商处采购关键系统元件有助于降低开发风险，缩短上市时间，并在竞争激烈的市场中保持领先地位。

构建系统集成的AMR

感知对于在自由空间中导航的自主移动机器人（AMR）至关重要，尤其是在没有轨道或其他导航辅助设备可用的情况下。AMR必须能够找到安全的路线，并处理路径上的静态和移动障碍物。为了克服天气或照明条件的限制，并适应不同的距离，会使用包括图像传感器、超声波和激光雷达（LiDAR）在内的多种技术。来自多个传感器的数据会被整合，以便更好地了解周围环境。这种技术被称为传感器融合，它提供了更好的可靠性、冗余性和安全性。

安森美（onsemi）一直是智能感知技术的领导者。安森美提供从VGA到4500万像素的各种卷帘曝光和全局曝光图像传感器。这些传感器在动态范围方面具有业界先进的性能，并具备如运动唤醒和自动曝光控制等创新特性。除图像传感器之外，安森美还提供用于测距（LiDAR）的硅光电倍增管（SiPM）、超声波传感器、电感式传感器以及支持到达角（AoA）和出发角（AoD）的Bluetooth低功耗（BLE）技术微控制器，这些可以用于定位。

运动控制在 AMR中非常重要。通常使用无刷直流（BLDC）电机，需要复杂的算法进行精确控制。无刷直流电机驱动级需要许多元器件来正确控制。NCD83591三相栅极驱动器通过开启和关闭功率开关来控制换相，非常适合用于电机控制子系统。

图2- 驱动BLDC电机需要多个元器件协同工作

MOSFET用作开关为电机绕组供电。安森美提供了一系列中压(MV)MOSFET 产品组合，包括最新的PowerTrench T10 MOSFET，是电机应用的理想之选。MOSFET还可用于AMR内的一般功率应用。

图3- PowerTrenchT10 MOSFET 的优势

与硅MOSFET相比，碳化硅(SiC)MOSFET 具有更高的热导率和十倍的击穿电场强度。这使得碳化硅元件能够在相同材料厚度下承受更高的电压。当 AMR（例如自动叉车）变得越来越大时，电池电压也会随之升高，而基于SiC的系统则可提供更好的性能和更高的效率。

SiCMOSFET 的另一个优势是能够在更高温度下工作，从而简化了散热器设计。更高的工作频率可减小磁性元件的尺寸（和成本），从而缩小子系统的尺寸，有助于扩大AMR的工作范围。

电力输送不仅对电机控制至关重要。系统还需要一个外部充电器，该充电器需要尽可能快且高效地为电池充电。AMR中的DC-DC电源树使用开关模式电源（SMPS）和线性稳压器（LDO）来供应逻辑和低压电平。效率固然重要，但在整个电源架构中部署适当的保护措施也同样重要。安森美提供了一系列适用于AMR应用的电子保险丝（eFuse）和SmartFET解决方案。

通信对AMR至关重要，既包括AMR本身内部的通信，也包括与配套设施的外部通信，还可能包括与其他AMR的通信。为 AMR选择通信技术时需要考虑的参数包括其工作范围、数据传输速率、功耗和安全性。在内部通信方面，长期以来使用了许多协议，包括CAN、LIN、RS-485和RS232。以太网 10BASE-T1S（如安森美的NCN26010）集简便性和高性能于一身，因此越来越受欢迎。它提供通过单根非屏蔽双绞线收发数据所需的所有物理层功能。与主控 MCU的通信通过OPEN联盟MAC-PHY串行外设接口(SPI)协议进行。

无论是发送路由或配置信息以及报告位置和进度，还是用于实时定位服务(RTLS)，外部通信对于AMR来说也是必不可少的。安森美基于BluetoothLE 5.2 无线MCU的RSL15超低功耗ArmCortex-M33 处理器是利用到达角(AoA)和出发角(AoD)功能实现实时定位系统(RTLS)的理想选择，它还可用于连接智能设备。RSL15内置电源管理、宽电源电压范围、灵活的GPIO和时钟电路以及丰富的外设，为AMR设计人员提供了最大的设计灵活性。

照明子系统用于向周围的人员和其他AMR传达AMR的状态、状况和意图。选择AMR照明技术时需要考虑的性能特性和参数包括亮度、色温和功耗。LED控制器和驱动器监控流经LED的电流，并使LED发出特定强度和波长的光。LED驱动电路使用高压侧和低压侧功率MOSFET来导通和关断LED电流，同时防止过压和过流情况，并确保LED驱动电路的稳定性。

对AMR解决方案的支持

选择一家解决方案提供商可能是一个有风险的决定，但他们拥有一套全面的产品解决方案。同样重要的是在整个设计过程中提供的支持，以及在需要的时间和地点提供产品的能力。

作为一家拥有丰富行业经验的老牌供应商，安森美能够提供系统级应用支持。我们的全球销售和技术团队网络可以不受地区、时区和语言的限制，提供一线支持。

除了现场支持，用户还可以访问我们的在线技术支持中心。安森美社区论坛是一个在线开发者社区，在这里，安森美产品的资深用户可以分享他们关于产品和应用的丰富知识。用户可以通过一些特定主题的产品论坛区域访问该论坛，与业内同行互动，提出或回答问题。帮助库也是了解常见问题 (FAQ)和答案的好地方。对于喜欢更多互动的用户，由AI驱动的聊天机器人可以在几秒钟内为您提供答案。

安森美提供了一系列广泛的免费自助服务工具，包括交互式框图、ProductRecommendation Tools+TM产品推荐工具和大量评估板/套件，以促进快速原型开发。电力电子设计人员会发现这些仿真工具非常有用。ElitePower Simulator仿真工具和自助式 PLECS模型生成工具不仅可以通过对实际元器件性能建模以提高准确性，还能加快产品上市时间。

当然，上述一切只有在产品设计完成并投入生产后才有价值。安森美具备内外部双重制造能力，这增加了供应链的韧性并提升了供应保障。

结语

AMR是一种高效、可靠的运送包裹和执行其他物流任务的方式，因此越来越受欢迎。然而，完全自主行驶需要高度的复杂性和安全性，这一点与汽车并无二致。

也许最大的设计挑战不在于AMR中的各种子系统，而在于这些子系统的集成，特别是如果这些子系统来自不同的供应商，其兼容性很可能是一个挑战。

作为一家解决方案供应商，安森美的独特之处在于可以为AMR的设计提供一整套极其先进的产品，以及完善的支持生态系统，包括支持人员、工具、文档、在线论坛等，并以垂直整合的弹性制造能力为后盾。