工程師如何應(yīng)對消費者自主機器人系統(tǒng)挑戰(zhàn)

當(dāng)人們聽到“自主移動機器人 (AMR)”時，許多人會想象相對較大的機器人系統(tǒng)在訂單履行中心、倉庫或各種工業(yè)應(yīng)用中運行。很少有人會想到人工智能/機器學(xué)習(xí) (AI/ML) 驅(qū)動的滾動手提箱會盡職盡責(zé)地跟隨主人前往全球各地旅行。更少人會想到這項技術(shù)今天可以在商業(yè)上獲得。家用 AI/ML 系統(tǒng)和機器人技術(shù)的曙光就在這里。為了進(jìn)一步推動這場革命，工程師必須克服幾個硬件和軟件障礙才能獲得 TSA 批準(zhǔn)，并將所有必要的電子系統(tǒng)安裝在一個緊湊的空間內(nèi)，該空間不會顯著增加重量，同時保持成本競爭力。

在這里，我們討論了小型消費類 AMR 系統(tǒng)的趨勢——特別是行李和各種硬件和軟件問題——以及與將小型消費類 AMR 系統(tǒng)推向大眾相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

適合 21 世紀(jì)旅行者的 AMR 行李箱

拖著行李穿過機場、火車站和汽車站通常是大多數(shù)人與長途旅行相關(guān)的最大阻力之一。因此，令人驚訝的是，在過去的幾十年里，行李箱設(shè)計幾乎沒有什么創(chuàng)新。雖然箱包在過去 20 年里經(jīng)歷了一場美學(xué)大修，但在真正的技術(shù)進(jìn)步方面做得并不多。幸運的是，最近這一切都發(fā)生了變化。AMR 行李系統(tǒng)旨在僅使用機載系統(tǒng)跟蹤和跟隨其所有者，現(xiàn)已上市。

這是對典型智能行李箱的重大改進(jìn)，其中包括具有內(nèi)置電池的行李箱系統(tǒng)，用于為智能手機充電、GPS、打開檢測，有些甚至可以騎在上面。借助最新的 AMR 行李箱系統(tǒng)，AI/ML 技術(shù)被用于在令人眼花繚亂的雜亂環(huán)境中導(dǎo)航，從家中經(jīng)過中轉(zhuǎn)站，到達(dá)用戶的目的地。這種類型的導(dǎo)航需要復(fù)雜的視覺系統(tǒng)、接近檢測系統(tǒng)、智能手機接口和移動機器人電子設(shè)備。

小型消費類 AMR 系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

與工業(yè) AMR 系統(tǒng)不同，消費類 AMR 行李箱相對較小，即使在不運行時也必須保持重量輕且易于使用。此外，工業(yè)機器人被設(shè)計成在本質(zhì)上危險的工業(yè)環(huán)境中是安全的，而消費類 AMR 必須在不受控制的環(huán)境中工作。因此，隨著對移動機器人高效、可靠和響應(yīng)的普遍需求，小型/個人 AMR 行李系統(tǒng)還必須解決繁忙的交通終端和分心的用戶帶來的混亂。這需要相對復(fù)雜的 AI/ML，能夠跟蹤、跟隨和導(dǎo)航可能不可避免發(fā)生意外碰撞的混亂環(huán)境。

小型消費類 AMR AI/ML 視覺系統(tǒng)和接近傳感器

雖然 2D 相機圖像可以提供上下文，但仍然需要接近系統(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 行李箱至關(guān)重要，這些行李箱有望在沒有過多指導(dǎo)的情況下與用戶一起拉動。

傳感器融合是機器人系統(tǒng)獲得比常規(guī) 2D 相機圖像所顯示的更深入的環(huán)境洞察力的常用方法。過去，機器人視覺系統(tǒng)體積龐大且價格昂貴，但隨著視覺系統(tǒng)逐漸縮小，接近傳感器封裝變得更加緊湊，更易于用于機器視覺。

為了讓 AMR 行李箱保持現(xiàn)代行李箱的苗條美感，接近傳感器和視覺系統(tǒng)必須足夠緊湊，以適應(yīng)光滑的外形，而又不會過于明顯。這給視覺和接近系統(tǒng)帶來了額外的空間限制，并且需要更高級別的集成，可能需要在單個緊湊型 PCB 上使用集體視覺和接近系統(tǒng)。這種超緊湊的方法對于減輕與手動使用的 AMR 電子設(shè)備相關(guān)的重量也可能是必要的。

因此，在小型封裝中使用不可見的 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。IR 傳感器可以在 IR 頻率下由光學(xué)透明透鏡保護(hù)，但在可見光頻率下相對不透明。此外，目標(biāo)顏色和反射率不變量包括采用垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) IR 技術(shù)進(jìn)行飛行時間傳感的傳感器（圖 1）。

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圖 1：VCSEL 飛行時間紅外接近傳感器 511-VL53L5CXV0GC/1 的功能圖，非常適合用于 AMR 行李箱應(yīng)用。（來源：貿(mào)澤電子）

小型消費者 AMR 移動

小型消費類 AMR 行李箱可能會使用通常為三相的小型無刷直流 (BLDC) 電機，以實現(xiàn)此應(yīng)用所需的響應(yīng)速度和效率。然而，BLDC 電機需要專門的電機控制器和驅(qū)動器技術(shù)，可以同時驅(qū)動三個獨立的相位，具有傳感器輸入能力和足夠的功率來處理 BLDC 電機控制數(shù)學(xué)的計算負(fù)載。

過去，像這樣的電機控制系統(tǒng)需要對每個功能進(jìn)行完整的定制設(shè)計，以及迭代設(shè)計功能解決方案所需的資源。現(xiàn)在，帶有嵌入式 MCU 的 BLDC 電機控制器提供了一個高度集成的解決方案，與以前集成度較低的方法相比，它可以更緊湊，甚至可能更高效（圖 2）。這些高度集成的解決方案有助于縮短開發(fā)時間、減少 PCB 面積并最大限度地降低整體物料清單 (BOM) 的復(fù)雜性。

圖 2：高度集成的電機控制器/MCU，例如STMicroelectronics STSPIN32G4，可以在單個封裝中提供高級電機控制功能和處理。上圖是帶有 STSPIN32G4 系統(tǒng)級封裝 (SiP) 和 STL110N10F7 功率 MOSFET 的 STMicroelectronics EVSPIN32G4 演示板。（來源：貿(mào)澤電子）

小型消費類 AMR 無線通信

小型消費者 AMR 行李箱也需要由用戶通過普通方式輕松配置和控制。此外，現(xiàn)代電子產(chǎn)品可以從無線 (OTA) 升級中獲益，尤其是 AMR 行李箱等新產(chǎn)品和實驗產(chǎn)品。這意味著 AMR 行李箱系統(tǒng)還需要結(jié)合各種無線標(biāo)準(zhǔn)以與用戶的智能手機兼容，并可能連接到其他 IEEE 802.15.4 無線協(xié)議以進(jìn)行測試、診斷或其他智能家居功能集成。

考慮到 AMR 行李箱的空間和功率限制，單獨的無線芯片可以顯著增加電路板面積，特別是考慮到需要保持設(shè)計的電磁兼容性 (EMC) 合規(guī)性時。因此，具有內(nèi)置無線功能的微控制器，例如Bluetooth? Low Energy 5 (BLE5) 和 IEEE 802.15.4 ?通信協(xié)議，可以顯著簡化開發(fā)過程，并能夠更快地開發(fā)具有無線功能的 AMR 行李箱（圖 3).

圖 3：多協(xié)議無線微控制器片上系統(tǒng) (SoC) 可以極大地有利于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)，同時延長應(yīng)用程序的電池壽命。（來源：貿(mào)澤電子）
盡管飛行汽車仍在發(fā)展，但自動跟隨用戶并消除長途旅行的一些苦差事的機器人行李今天已經(jīng)出現(xiàn)。未來將會出現(xiàn)更多創(chuàng)新的機器人行李箱創(chuàng)意，所有這些創(chuàng)意都必須在高度緊湊的包裝中安裝自主移動機器人系統(tǒng)，同時確保安全性和用戶友好性

審核編輯黃昊宇