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當(dāng)自主機(jī)器人化身小跟班一樣的行李箱,讓你省心省力

發(fā)布時間:2023-04-06 來源:Mouser 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】談及“自主移動機(jī)器人(AMR)”時,許多人想到的是在訂單履行中心、倉庫或各種工業(yè)應(yīng)用中工作的相對較大的機(jī)器人系統(tǒng)。過去,鮮有人會想到盡職盡責(zé)跟隨主人全球奔波的、由人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)(AI/ML)驅(qū)動的拉桿箱。更鮮有人會料想到這項技術(shù)能夠在今天實現(xiàn)商用。家用AI/ML系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)的曙光已經(jīng)出現(xiàn)。為了進(jìn)一步推動這場革命,工程師必須克服一些硬件和軟件障礙,才能通過TSA認(rèn)證,并在緊湊空間內(nèi)安裝所有必要的電子系統(tǒng),既不會顯著增加重量,同時還保持成本競爭力。


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圖源:scharfsinn86/Stock.Adobe.com


本文將向讀者介紹小型消費(fèi)類AMR系統(tǒng)(特別是行李箱)的發(fā)展趨勢,并討論小型消費(fèi)類AMR系統(tǒng)走向大規(guī)模市場所涉及的各種硬件和軟件問題以及設(shè)計挑戰(zhàn)。


面向21世紀(jì)旅客的AMR行李箱


對于大多數(shù)人而言,長途旅行最大的拖累莫過于拖著行李箱輾轉(zhuǎn)于各大機(jī)場、火車站和公共汽車站。然而,令人不解的是,過去十幾年間,行李箱的設(shè)計卻鮮有創(chuàng)新。盡管行李箱在過去的20年間經(jīng)歷了徹底的審美革新,但真正的技術(shù)進(jìn)步卻寥寥無幾。幸運(yùn)的是,這一切最近都發(fā)生了變化?,F(xiàn)有的市售AMR行李箱系統(tǒng)被設(shè)計為僅使用板載系統(tǒng)跟蹤并跟隨其主人。


這是典型智能行李箱的重大進(jìn)步,這些行李箱內(nèi)置可為智能手機(jī)充電的電池、GPS定位、開箱檢測功能,甚至還有可供用戶騎座的設(shè)計。借助新型AMR行李箱系統(tǒng),AI/ML技術(shù)用于在整個繚亂喧囂的旅途中為用戶導(dǎo)航,從家出發(fā),經(jīng)過中轉(zhuǎn)站,并最終到達(dá)目的地。這類導(dǎo)航需要復(fù)雜的視覺系統(tǒng)、接近檢測系統(tǒng)、智能手機(jī)接口以及移動機(jī)器人電子設(shè)備。


小型消費(fèi)類AMR系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)


與工業(yè)AMR系統(tǒng)不同,消費(fèi)類AMR行李箱相對較小,必須保持重量輕且易于使用,即便在不使用時亦如此。此外,工業(yè)機(jī)器人設(shè)計為在本身比較危險的工業(yè)環(huán)境中保持安全,而消費(fèi)類AMR則必須在控制較少的環(huán)境中工作。因此,除了考慮移動機(jī)器人高效、可靠且響應(yīng)迅速的普遍需求外,小型/個人AMR行李箱系統(tǒng)還必須考慮繁忙交通樞紐和用戶注意力被分散的混亂情況。這需要相對復(fù)雜的AI/ML在意外碰撞不可避免的混亂環(huán)境中進(jìn)行跟蹤、跟隨和導(dǎo)航。


AMR AI/ML視覺系統(tǒng)和接近傳感器


雖然2D攝像頭圖像可以提供背景環(huán)境,但仍然需要一個接近系統(tǒng)來確定與物理對象的距離和深度。因此,傳感器融合對于小型AMR行李箱而言至關(guān)重要,因為人們希望這種行李箱無需過多指引就能跟隨用戶左右。


相較于常規(guī)2D攝像頭圖像,傳感器融合是機(jī)器人系統(tǒng)更深入了解環(huán)境的常用方法。機(jī)器人視覺系統(tǒng)過去相當(dāng)龐大且昂貴,但現(xiàn)在隨著視覺系統(tǒng)不斷減小,接近傳感器的封裝也變得更加緊湊,更容易用于機(jī)器視覺。


為了讓AMR行李箱保持現(xiàn)代行李箱的纖巧美感,接近傳感器和視覺系統(tǒng)必須足夠緊湊,以適應(yīng)流線型的輪廓而不顯得突兀。這給視覺和接近系統(tǒng)施加了額外的空間限制,并且需要更高水平的集成,因此可在單個緊湊型PCB上使用綜合視覺和接近系統(tǒng)。為減輕AMR電子設(shè)備的重量以方便手動操作,這種實現(xiàn)超緊湊尺寸的方法也十分必要。


因此,在小型封裝中使用不可見940nm紅外(IR)光的飛行時間傳感器可能是此類應(yīng)用的理想選擇。透鏡在IR頻率下為光學(xué)透明,而在可視光頻率下相對不透明,從而保護(hù)IR傳感器。此外,目標(biāo)顏色和反射比不變量包括采用垂直腔面發(fā)射激光(VCSEL)IR技術(shù)進(jìn)行飛行時間感測的傳感器,如下圖1就是一款非常適合用于AMR行李箱的VCSEL飛行時間紅外接近傳感器。


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圖1:511-VL53L5CXV0GC/1的功能圖

(圖源:貿(mào)澤電子)


AMR的移動系統(tǒng)


移動系統(tǒng)是小型AMR的一個主要設(shè)計點。小型AMR系統(tǒng)的響應(yīng)能力、效率和可靠性在很大程度上取決于設(shè)計質(zhì)量以及AMR移動系統(tǒng)所選擇的設(shè)備/組件。典型的AMR移動系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、電機(jī)控制系統(tǒng)以及儲能裝置(通常為電池)。高效電機(jī)控制微控制器單元(MCU)可能是此類緊湊型低功耗應(yīng)用的理想選擇。其他電機(jī)控制解決方案即使可以實現(xiàn)更高的性能,但能效或許較低且占用空間更大,例如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)解決方案。


小型消費(fèi)類AMR行李箱可能會使用小型無刷直流(BLDC)電機(jī),通常為三相,以實現(xiàn)該應(yīng)用所需的響應(yīng)能力和效率。不過BLDC電機(jī)需要專門的電機(jī)控制器和驅(qū)動技術(shù),要同時驅(qū)動三個獨(dú)立的相位,并具有傳感器輸入能力和足夠的功率來承擔(dān)BLDC電機(jī)控制算法的計算負(fù)載。


過去,像這樣的電機(jī)控制系統(tǒng)需要對每個功能進(jìn)行完整的定制設(shè)計,并需要必要的資源來迭代設(shè)計功能解決方案。如今,含嵌入式MCU的BLDC電機(jī)控制器可提供高度集成的解決方案,比先前集成度較低的方法更為緊湊甚至高效。這些高度集成的解決方案有助于縮短開發(fā)時間、減小PCB面積并盡量降低總體物料清單(BOM)的復(fù)雜性。


高度集成的電機(jī)控制器/MCU,如STMicroelectronics STSPIN32G4,可在單個封裝中提供高級電機(jī)控制功能和處理。圖2就采用STSPIN32G4系統(tǒng)級封裝(SiP)與STL110N10F7功率MOSFET。


21.jpg圖2:STMicroelectronics EVSPIN32G4演示板

(圖源:貿(mào)澤電子)


AMR的無線通信


即便是小型消費(fèi)類AMR行李箱,用戶也需要能夠通過普通方式輕松獲取和控制。此外,無線(OTA)升級讓現(xiàn)代電子產(chǎn)品大受裨益,尤其是AMR行李箱之類的新穎實驗性產(chǎn)品。這意味著AMR行李箱系統(tǒng)還需要整合各種無線標(biāo)準(zhǔn)以兼容用戶的智能手機(jī),還可連接到其他IEEE 802.15.4無線協(xié)議以進(jìn)行測試、診斷或集成其他智能家居功能。


鑒于AMR行李箱的空間和功率限制,單獨(dú)的無線芯片會顯著增加電路板面積,尤其是在考慮需要保持設(shè)計的電磁兼容(EMC)合規(guī)性時。因此,內(nèi)置無線功能,例如低功耗藍(lán)牙5(BLE5)和IEEE 802.15.4?通信協(xié)議的微控制器,可以顯著簡化開發(fā)過程,更快地開發(fā)具有無線功能的AMR行李箱(圖3)。


下圖所示的多協(xié)議無線微控制器片上系統(tǒng)(SoC)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)大有裨益,同時還能延長應(yīng)用的電池壽命。


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圖3:多協(xié)議無線微控制器片上系統(tǒng)(SoC)

(圖源:貿(mào)澤電子)


結(jié)語


盡管飛行汽車仍在開發(fā)當(dāng)中,但自動跟隨用戶、包攬長途旅行中一些苦差事的機(jī)器人行李箱今天已經(jīng)問世。未來將出現(xiàn)更多的機(jī)器人行李箱創(chuàng)意,所有這些創(chuàng)意都必須能夠在高度緊湊的封裝中安裝自主移動機(jī)器人系統(tǒng),同時確保安全性和使用方便性。



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