自主機(jī)器人的分布式傳感器

一代又一代，科幻類小說總以各種方式讓機(jī)器人融入社會(huì)，比如從讓我們的生活變得更輕松、更美好的“幫手型”善良仆人，到試圖消滅我們的殘酷、沒有靈魂的霸主。不論哪種情況，故事一開始都是機(jī)器人取代人類完成重復(fù)性的危險(xiǎn)而又粗重的任務(wù)，而隨著AI的興起，它們甚至能超越訓(xùn)練有素的人類。

從小型掃地機(jī)器人到送貨機(jī)器人和無人機(jī)，機(jī)器人的使用已是司空見慣。尤其是當(dāng)機(jī)器人變得自主、親近甚至有自我意識時(shí)，社會(huì)也接納機(jī)器人融入我們的生活。

幾十年來，汽車制造廠、化工廠和工廠中的苦力機(jī)器人已經(jīng)取代了許多人力，成本效益凸顯，生產(chǎn)效率和精度得以提高，因?yàn)橹圃鞓I(yè)和工業(yè)應(yīng)用一直是機(jī)器人進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。

雖然機(jī)器人的采購、編程以及投入使用的初始投資仍然很高，但它們對制造公司也助益頗多。

隨著人們對制造業(yè)回歸本國的愿望越來越強(qiáng)烈，競爭壓力意味著只有機(jī)器人才能以低成本保持高生產(chǎn)率。它們可以一天二十四小時(shí)不間斷地工作。它們不需要休假或放假。它們也不請病假（但確實(shí)偶爾也會(huì)崩潰）。

關(guān)鍵是使用機(jī)器人的制造企業(yè)不用支付社保、失業(yè)保險(xiǎn)、工傷賠償、醫(yī)療保險(xiǎn)、退休金等各種費(fèi)用。

隨著只在固定工位工作以及執(zhí)行固定功能的機(jī)器人被可移動(dòng)、能自主的多功能學(xué)習(xí)型機(jī)器所取代，能力、安全性和成本敏感性也變得更加重要。機(jī)器人設(shè)計(jì)師現(xiàn)在面臨著構(gòu)建機(jī)器人和機(jī)器人工作環(huán)境的選擇。

五公斤的機(jī)器人裝有十公斤的芯片

傳感器是所有機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。它們?yōu)闄C(jī)器提供有關(guān)外部世界的信息。雖然老一代固定工位的機(jī)器人不需要導(dǎo)航、感知障礙物、知道它們在哪里并尋找替代路線，但新一代機(jī)器人卻需要。因此，必須實(shí)現(xiàn)、監(jiān)控、解釋和使用多種類型的傳感器并設(shè)定其優(yōu)先級來確定行動(dòng)。當(dāng)今設(shè)計(jì)師面臨的問題是如何分配傳感器，同時(shí)保持合理的尺寸和重量。所有傳感器都安裝在機(jī)器人內(nèi)部嗎？ 或者機(jī)器人是否從設(shè)施、無線控制器或云端獲取傳感數(shù)據(jù)和指令？

機(jī)器人的功能越多，尺寸越大。機(jī)器人越重，需要的電池電量也越大。這就限制了運(yùn)行時(shí)間、速度和性能，而且，機(jī)器人充電或更換電池時(shí)需停止使用，因此還會(huì)提高成本。

空間總是有限的，重量是個(gè)大麻煩。因此，機(jī)器人所處環(huán)境越智能，需要嵌入機(jī)器人的元件越少。更小、更快、更長的運(yùn)行時(shí)間、更低的成本。雙贏對吧？ 不過，僅目前如此。

即使在智能環(huán)境中，每個(gè)機(jī)器人也必須嵌入智能元件和傳感器。容錯(cuò)意味著在發(fā)生通信故障時(shí)安全性不受影響。因此，可使用諸如換能器、攝像頭、溫度和電池電壓傳感器等輕型板載傳感器。即使是目前的2D Lidar激光雷達(dá)技術(shù)也可以集成到低成本、高效率的機(jī)器人中。

應(yīng)優(yōu)先考慮用于感知接近或電源問題等的故障安全傳感器。例如，機(jī)器人可能不知道它被障礙物卡在某個(gè)位置，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的電流傳感器可快速檢測到故障并立即切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源。中心設(shè)施計(jì)算機(jī)或云控制器無法迅速做出反應(yīng)以防止可能發(fā)生的火災(zāi)。

在工廠或工業(yè)環(huán)境中，無線通信可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。制造車間是一個(gè)充滿電子噪聲的環(huán)境。如果發(fā)生錯(cuò)誤和重試，機(jī)器人可能無法及時(shí)獲得保持安全所需的信號。這也可能意味著無線鏈路傳輸更高的功率以獲得可靠的通信。

開放的世界，封閉的樓層；分布式通信選項(xiàng)

可以解決其中許多問題的一種獨(dú)特方法是使用封閉的分布式網(wǎng)絡(luò)對傳感器進(jìn)行陣列部署，以及使用來自機(jī)器人的反向通道信息。使用分散在制造車間周圍的通信節(jié)點(diǎn)可以創(chuàng)建一個(gè)閉環(huán)反饋機(jī)制，其中設(shè)施控制器可以對機(jī)器人采取的每一步操作進(jìn)行高級驗(yàn)證。

傳感器和通信節(jié)點(diǎn)可放置在具體的戰(zhàn)略規(guī)劃位置。5G、Wi-Fi?或藍(lán)牙信號在10英尺處比在50英尺處更可靠。因此，能夠立即以低成本實(shí)現(xiàn)可靠的主要和/或備用通信方案。即使是成本最低的窄帶AM或FM數(shù)據(jù)鏈路也可以與高級通信同時(shí)運(yùn)行。例如，移動(dòng)機(jī)器人經(jīng)過固定工位機(jī)器人時(shí)可以收集其安全數(shù)據(jù)并傳遞出去。

經(jīng)過這些數(shù)字檢查點(diǎn)的機(jī)器人可報(bào)告電池電量、內(nèi)部溫度、振動(dòng)水平、壓力和可承載負(fù)載應(yīng)變，以及其中央處理器、視覺系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和整體狀態(tài)。射頻識別（RFID）技術(shù)甚至可用于在機(jī)器人經(jīng)過單個(gè)文件檢查點(diǎn)時(shí)對其進(jìn)行驗(yàn)證。正如你所見，即使在這種方法中具有高度的自主性，機(jī)器人也變得像制造車間的外圍設(shè)備。

分布式串行架構(gòu)：拓?fù)浜蛢?yōu)勢

串行通信非常適合圍繞局部或廣大地區(qū)進(jìn)行分布式通信。系統(tǒng)與設(shè)施設(shè)計(jì)人員和管理人員對于可以輕松實(shí)現(xiàn)的串行網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和類型有多種選擇和選項(xiàng)。

以太網(wǎng)是一種可以使用的串行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它可以在單根電纜中使用Cat5和/或Cat 6類型的多雙絞線進(jìn)行接線。每個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)連接需要八根電線，這會(huì)增加成本并降低可靠性。以太網(wǎng)確實(shí)能提供快速通信和幾百英尺的覆蓋能力，并且可以用作區(qū)域中串行網(wǎng)絡(luò)的集線器。但它依然無法抑制噪聲或靜電放電（ESD），因此對于機(jī)器位置而言，它并不是一個(gè)好的選擇。此外，以太網(wǎng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要更多的處理器資源和帶寬。不過，可以使用成本較低的通用異步接收器/發(fā)送器（UART）幀異步數(shù)據(jù)包幀串行數(shù)據(jù)鏈路。

基于UART的串行鏈接可能最直接、最可靠。即使在最高電磁干擾（EMI）噪聲和最惡劣的ESD環(huán)境中，無線串行鏈路依然穩(wěn)定可靠。還有各種驅(qū)動(dòng)器和接收器，即便移動(dòng)數(shù)百甚至數(shù)千英尺，仍能將數(shù)據(jù)速率保持在一定范圍內(nèi)。

在架構(gòu)上，分布式串行傳感器陣列可以通過中心位置、分布式或遠(yuǎn)程訪問來控制和監(jiān)控。這些都不相互排斥。例如，中央計(jì)算機(jī)始終可以總攬大局，而備用系統(tǒng)則負(fù)責(zé)監(jiān)控，并在主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)。

串行網(wǎng)絡(luò)還自帶點(diǎn)對點(diǎn)靈活性。最簡單、最可靠的架構(gòu)就是點(diǎn)對點(diǎn)直連（圖1A）。這是最快、最直接的鏈路。硬件和/或軟件握手可以確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

可以配置一串菊花鏈設(shè)備，其中單個(gè)數(shù)據(jù)鏈路與許多分布式傳感器或執(zhí)行器通信（圖1B）。數(shù)據(jù)經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)并通過充當(dāng)傳遞緩沖區(qū)的線路接收器和驅(qū)動(dòng)器路由回起始點(diǎn)。例如，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以單獨(dú)尋址，也可以同時(shí)訪問所有節(jié)點(diǎn)，例如“緊急關(guān)機(jī)”命令。

如果將設(shè)備配置在一個(gè)回路中，就可以不使用傳遞驅(qū)動(dòng)器，所有數(shù)據(jù)返回到起始點(diǎn)。對于串行或環(huán)路架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)速率通常設(shè)置為單一波特率。如果使用多端口串行控制臺控制器，也可采用樹形配置（圖1C）。如果來自主機(jī)的數(shù)據(jù)速率快到能為所有較低電平供電，則允許在串行域中建立多個(gè)傳感器或傳感器區(qū)域。如果沒有，那么以太網(wǎng)連接可用作頂級控制臺服務(wù)器。如果傳感器區(qū)域是用局部區(qū)域定義的，這可能是一種有用的架構(gòu)。

圖1：（A）點(diǎn)對點(diǎn)直連

（B）鏈接設(shè)備的回路或菊花鏈、（C）樹形配置

（圖源：貿(mào)澤電子）

除了遠(yuǎn)程分配傳感器和執(zhí)行器外，分布式節(jié)點(diǎn)還可包括用于安全控制的專用射頻鏈路或RFID掃描儀，以便工廠內(nèi)的機(jī)器人經(jīng)過特定關(guān)鍵位置時(shí)讀取和寫入數(shù)據(jù)。任何時(shí)候都可在幾乎不增加額外成本的情況下設(shè)計(jì)安全冗余，利用該安全冗余是明智的。

串行鏈路層協(xié)議的類型

RS-232

RS-232是我們大多數(shù)人都熟悉的老牌產(chǎn)品。這種單端物理層方案使用不歸零（NRZ）信令協(xié)議，將邏輯0表示為正電壓，邏輯1表示為負(fù)電壓。信號線永遠(yuǎn)不依賴地線。因此，RS-232相對穩(wěn)健，可以很好地抑制噪聲和脈沖毛刺。由于未連接的電線不顯示電壓，因此故障檢測更容易。

S-232

S-232可以覆蓋幾百英尺，而RS-422可以覆蓋幾千英尺。RS-422對每個(gè)信號使用一對差分線。這使其可以不受嘈雜工廠環(huán)境中可能存在的共模噪聲的影響。它需要兩倍的電線數(shù)量，并且不像過去用于大多數(shù)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器的RS-232那樣常見。

RS-485

RS-485是一種差分介質(zhì)，但也是一種共享介質(zhì)。所有RS-485設(shè)備都連接到相同的物理線對。這意味著RS-485設(shè)備只能在半雙工模式下運(yùn)行，而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運(yùn)行。所有RS-485設(shè)備通常具有相同的通信特性，例如波特率、奇偶校驗(yàn)和停止位。

如果實(shí)施得當(dāng)，RS-485還可以覆蓋數(shù)千英尺，并且通常用于工廠和工業(yè)環(huán)境中。任何情況下，半導(dǎo)體制造商都為所有這些環(huán)境提供具有成本效益、設(shè)計(jì)精良、具有競爭力的線路驅(qū)動(dòng)器和接收器，并內(nèi)置ESD和噪聲防護(hù)。

請注意，UART幀異步數(shù)據(jù)包格式（如RS-232、RS-422和RS-485）也用于汽車領(lǐng)域的控制器局域網(wǎng)（CAN）和OBDII控制和傳感器總線。

傳統(tǒng)但比較流行的Midi接口也采用基于UART的數(shù)據(jù)包協(xié)議。工具和開發(fā)固件很好地理解并支持這些信令技術(shù)。它們是工業(yè)環(huán)境中分布式傳感器和執(zhí)行器的理想選擇，尤其是在可以使用多端口服務(wù)器的情況下。

媒體服務(wù)器解決方案

多端口控制臺提供可通過IP訪問的多個(gè)單獨(dú)串行端口，例如以太網(wǎng)和TCP/IP接入點(diǎn)。采用8或16端口RS-232配置，這些端口可用作RS-485或RS-422，并帶有適當(dāng)?shù)慕涌凇?/p>

兩個(gè)10/100/1000以太網(wǎng)端口可支持單個(gè)串行端口高達(dá)921.6Kbits/sec數(shù)據(jù)速率的總帶寬，并允許連接到本地計(jì)算機(jī)資源以及遠(yuǎn)程和分布式全球計(jì)算機(jī)和基于云的服務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)的1U機(jī)架安裝配置可輕松集成到幾乎任何設(shè)施中。此外，每個(gè)串口保護(hù)方案都內(nèi)置有15KV ESD保護(hù)。這些控制臺服務(wù)器充當(dāng)理想接口，連接TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與PLC、CNC機(jī)器、磅秤、掃描儀和幾乎任何類型基于傳感器的系統(tǒng)。許多可以由原始設(shè)備制造商（OEM）提供的易于使用的傳感器系統(tǒng)支持這些串行標(biāo)準(zhǔn)，并且控制臺服務(wù)器允許單獨(dú)連接到這些傳感器。請注意，每個(gè)設(shè)備都可以有自己的波特率、奇偶校驗(yàn)和停止位配置，從而簡化設(shè)置和使用，并最大化帶寬，因?yàn)樽盥脑O(shè)備并不會(huì)限制更快的設(shè)備。

通過Windows實(shí)用程序、Web瀏覽器、Telenet和各種控制臺進(jìn)行控制，使操作員和程序員可以輕松設(shè)置、操作和監(jiān)控。SNMP MIB-II等網(wǎng)絡(luò)管理工具還允許使用標(biāo)準(zhǔn)工具集進(jìn)行操作和監(jiān)控。后部安裝的接線使系統(tǒng)保持清潔和可維修，以便于擴(kuò)展或更新。使用內(nèi)置以太網(wǎng)連接可以實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)?，以?chuàng)建簡單、低成本、有效的分布式傳感器陣列。

工廠和分布式機(jī)器人傳感器示例：

例如，我們可以將中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)視為主機(jī)，它通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到串行控制臺服務(wù)器。這樣可以為每個(gè)區(qū)域提供高速帶寬，其中的控制臺控制器充當(dāng)各傳感器的互連設(shè)施。

圖2中，示例拓?fù)涫褂萌哂嗫刂奇溌?，通過高速以太網(wǎng)交換機(jī)路由到局部區(qū)域。每個(gè)局部區(qū)域都可以利用串行控制臺服務(wù)器建立直連鏈路，與機(jī)器人將經(jīng)過的每個(gè)傳感器、射頻鏈路或執(zhí)行器相連。

即使主控制器出現(xiàn)故障，也可以建立遠(yuǎn)程或冗余鏈路作為備份、看門狗或故障保護(hù)措施。這可以是本地冗余控制器，也可以是遠(yuǎn)程或基于云的監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2：示例拓?fù)?/p>

（圖源：貿(mào)澤電子）

結(jié)語

在機(jī)器人環(huán)境中結(jié)合嵌入式和分布式傳感器可能是實(shí)施工廠或工業(yè)環(huán)境最安全且最可靠的方式，可以將自動(dòng)化提升到新的水平?？梢栽O(shè)置多個(gè)區(qū)域，并監(jiān)控冗余安全機(jī)制，以確保所有系統(tǒng)正常運(yùn)行。

串行端口仍然是分配傳感器和執(zhí)行器最具成本效益的方式。

幾乎每個(gè)微控制器都支持基于UART的通信，并且OEM傳感器和設(shè)計(jì)的傳感器可以輕松集成到這類網(wǎng)絡(luò)中。這也使機(jī)器人能夠簡化并降低復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈兊脑S多職責(zé)可以轉(zhuǎn)移到更智能的設(shè)施上。