工程師如何應(yīng)對消費(fèi)者自主機(jī)器人系統(tǒng)挑戰(zhàn)

當(dāng)人們聽到“自主移動機(jī)器人 (AMR)”時，許多人會想象相對較大的機(jī)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(yùn)行。很少有人會想到人工智能/機(jī)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(xiàng)技術(shù)今天可以在商業(yè)上獲得。家用 AI/ML 系統(tǒng)和機(jī)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(fèi)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(fèi)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(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)接口和移動機(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，即使在不運(yùn)行時也必須保持重量輕且易于使用。此外，工業(yè)機(jī)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(fèi)類 AMR 必須在不受控制的環(huán)境中工作。因此，隨著對移動機(jī)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(fèi)類 AMR AI/ML 視覺系統(tǒng)和接近傳感器

雖然 2D 相機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)獲得比常規(guī) 2D 相機(jī)圖像所顯示的更深入的環(huán)境洞察力的常用方法。過去，機(jī)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(jī)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(fèi)者 AMR 移動

小型消費(fèi)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(jī)，以實(shí)現(xiàn)此應(yīng)用所需的響應(yīng)速度和效率。然而，BLDC 電機(jī)需要專門的電機(jī)控制器和驅(qū)動器技術(shù)，可以同時驅(qū)動三個獨(dú)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(jī)控制數(shù)學(xué)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，以及迭代設(shè)計功能解決方案所需的資源?，F(xiàn)在，帶有嵌入式 MCU 的 BLDC 電機(jī)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(jī)控制器/MCU，例如STMicroelectronics STSPIN32G4，可以在單個封裝中提供高級電機(jī)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(fèi)類 AMR 無線通信

小型消費(fèi)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(dú)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(jī)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(jī)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(jī)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