安森美的照明、傳感器和通信方案如何應(yīng)用于自主移動(dòng)機(jī)器人

照明、傳感器和通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 的關(guān)鍵支持技術(shù)，用于確保機(jī)器人能夠看見(jiàn)、感知現(xiàn)實(shí)世界并與現(xiàn)實(shí)世界交互。本文介紹了設(shè)計(jì)子組件的基本注意事項(xiàng)，并介紹了安森美 (onsemi)提供的適用于各應(yīng)用的方案。

圖 1：自主移動(dòng)機(jī)器人概念

感知環(huán)境

AMR 需要能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境并與環(huán)境進(jìn)行交互，這就要用到不同類型的傳感器，包括溫度傳感器、圖像傳感器、LiDAR（用于 3D 映射）、旋轉(zhuǎn)位置和可見(jiàn)光通信 (VLC) 傳感器。

圖像傳感器和圖像信號(hào)處理器賦予 AMR 視覺(jué)感知功能，使其能夠穿行于所在環(huán)境，檢測(cè)和識(shí)別物體。對(duì)于該應(yīng)用，安森美提供了全局快門和卷簾快門圖像傳感器方案。AR0234CS 圖像傳感器采用創(chuàng)新的全局快門像素設(shè)計(jì)，優(yōu)化了每秒 120 幀、全分辨率下捕捉移動(dòng)場(chǎng)景的精度和速度。該傳感器在低光照和明亮的場(chǎng)景中都能生成清晰的低噪聲圖像。

圖 2：安森美面向 AMR 的感知方案

位置傳感器測(cè)量 AMR 輪子和其他活動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)情況，使其能夠準(zhǔn)確跟蹤三維位置和方向。安森美 NCS32100 是一款工業(yè)用旋轉(zhuǎn)位置傳感器，兼具高精度與高速度優(yōu)勢(shì)。它采用 38mm 傳感器，可在 6,000 RPM 時(shí)提供 +/-50 角秒的精度。對(duì)于低精度應(yīng)用，它支持高達(dá) 100,000 RPM 的轉(zhuǎn)速。這款全新器件采用專利方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電感位置感知，非常適用于工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用。

超聲波和紅外傳感器可以測(cè)量與遠(yuǎn)程物體之間的距離，使 AMR 能夠檢測(cè)障礙物并避免碰撞。 

智能照明技術(shù)

發(fā)光二極管 (LED) 等照明技術(shù)使 AMR 能夠穿行于條件惡劣的環(huán)境，并能夠在這樣的環(huán)境中開(kāi)展通信和工作。LED 也可以用于發(fā)送信號(hào)以及指示機(jī)器人的狀態(tài)或方向。選擇 AMR 照明技術(shù)時(shí)需要考慮的性能特征和參數(shù)包括亮度、色溫和功耗。LED 控制器和驅(qū)動(dòng)器組件負(fù)責(zé)監(jiān)控 LED 內(nèi)的電流，并使其發(fā)出特定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光線。LED 驅(qū)動(dòng)電路使用高邊和低邊功率 MOSFET 開(kāi)關(guān) LED 電流，并保護(hù)它們免受過(guò)壓和過(guò)流條件的影響，確保 LED 驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性。安森美 NCV7685 LED 線性電流驅(qū)動(dòng)器和 NCL31000 智能 LED 驅(qū)動(dòng)器非常適合 AMR 照明應(yīng)用。NVC7685 具有 12 個(gè)線性可編程恒流源，使用相同的基準(zhǔn)電壓，支持 128 個(gè)不同的可調(diào) PWM 占空比級(jí)別。NCL31000 含一個(gè)支持高帶寬模擬和 PWM 調(diào)光（降至零電流）的高效 3 安培降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)輔助 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和監(jiān)測(cè)輸入/輸出電流及電壓、LED 溫度、 DC-DC 電壓的診斷功能。

圖 3：安森美面向 AMR 的照明方案

NCL31000 支持 VLC，使用可見(jiàn)光作為載體單向傳輸數(shù)據(jù)，速率高達(dá) 10kb/s。VLC 讓 AMR 可以與其他設(shè)備和人類進(jìn)行安全通信。由于可見(jiàn)光光譜范圍為 430 THz 至 790 THz，因此 VLC 不會(huì)影響附近的無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙? 低功耗（藍(lán)牙 LE）、Zigbee、超寬帶 (UWB) 和 Wi-Fi。VLC 非常安全，因?yàn)樗旧硎苤朴谝暰€范圍。AMR 的倉(cāng)庫(kù)導(dǎo)航應(yīng)用受益于 UWB、藍(lán)牙 LE (AoA/AoD) 和 Wi-Fi 室內(nèi)定位系統(tǒng) (IPS)。但是，有時(shí)射頻 (RF) 擁塞或干擾可能會(huì)影響 IPS。為了減輕這種影響，可以使用 VLC 來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有的 RF IPS。我們可以將 VLC 安裝到天花板燈具網(wǎng)格中，其中的每個(gè)天花板燈具都會(huì)發(fā)射唯一的 ID 號(hào)。如果 AMR 內(nèi)置布局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，包含每個(gè)燈具的位置和唯一 ID，則 AMR 可以借助朝向天花板的簡(jiǎn)單光電二極管進(jìn)行自我導(dǎo)航，如下圖 4 所示。

圖 4：AMR 借助 VLC 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位系統(tǒng) (IPS)

與現(xiàn)實(shí)世界的通信

通信技術(shù)使 AMR 能夠向其他設(shè)備和系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)并從中接收命令。為 AMR 選擇通信技術(shù)時(shí)，需要考慮的參數(shù)包括工作范圍、數(shù)據(jù)速率、功耗和安全性。工作范圍必須足夠長(zhǎng)，從而便于以可接受的速度與周圍環(huán)境中的其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行通信。收發(fā)器的功耗必須盡可能低，以延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)安全性也非常重要，以防止 AMR 的數(shù)據(jù)和命令遭到破壞。

藍(lán)牙 LE 無(wú)線通信技術(shù)專為低功耗設(shè)計(jì)，因此非常適合電池供電設(shè)備。該協(xié)議支持一系列數(shù)據(jù)傳輸速率，用于在 AMR 和其他設(shè)備之間傳輸傳感器數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。藍(lán)牙 LE 也可以用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，從而支持 AMR 穿行于動(dòng)態(tài)環(huán)境。安森美 RSL15 是通過(guò)藍(lán)牙 5.2 認(rèn)證的收發(fā)器，提供易于實(shí)施的藍(lán)牙 LE 無(wú)線應(yīng)用，支持到達(dá)角 (AOA) 和出發(fā)角 (AOD) 關(guān)鍵功能，以實(shí)現(xiàn)正確的室內(nèi)定位。高度集成的無(wú)線系統(tǒng)單芯片 (SoC) 優(yōu)化了系統(tǒng)尺寸和電池壽命。它采用 ARM Cortex-M33 處理器和 2.4 GHz 收發(fā)器，支持藍(lán)牙 LE 5.2 和 2.4 GHz 自定義協(xié)議。

圖 5：安森美面向 AMR 的通信方案

工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議提供高速通信功能，用于實(shí)時(shí)控制和協(xié)調(diào)多個(gè) AMR。安森美NCN26010 10BASE-T1S 工業(yè)以太網(wǎng)收發(fā)器，可利用現(xiàn)有的雙絞線布線實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的多分支以太網(wǎng)通信。該器件符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)，包括媒體訪問(wèn)控制器 (MAC)、PLCA 協(xié)調(diào)子層 (RS) 和專為工業(yè)多分支以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的 10BASE-T1S PHY。它可提供通過(guò)單一的非屏蔽雙絞線傳輸和接收數(shù)據(jù)的所有物理層功能，并可通過(guò) Open Alliance 的 MACPHY SPI 協(xié)議與主機(jī) MCU 通信。

AMR 組件選擇指南

AMR 的宗旨是與現(xiàn)實(shí)世界積極互動(dòng)，安森美支持設(shè)計(jì)人員選用適合其應(yīng)用需求的照明、感知和連接方案以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。如需深入了解 AMR 領(lǐng)域的電源和電機(jī)控制方案，請(qǐng)閱讀我們的第一篇博客“安森美的電源和電機(jī)控制方案如何應(yīng)用于自主移動(dòng)機(jī)器人”