先進(jìn)傳感器提升自主移動(dòng)機(jī)器人的控制能力

隨著人工智能的進(jìn)步，結(jié)合日益先進(jìn)的傳感器和控制算法，機(jī)器人變得越來越智能，他們現(xiàn)在可以自主執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如移動(dòng)、抓取和定位物體。目前自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）已在制造、醫(yī)療保健、物流和倉(cāng)儲(chǔ)等各個(gè)行業(yè)中流行起來。本文將為您介紹自主移動(dòng)機(jī)器人的架構(gòu)與發(fā)展，以及艾睿電子與合作伙伴意法半導(dǎo)體（ST）與安森美（onsemi）的相關(guān)解決方案。

自主移動(dòng)機(jī)器人推動(dòng)工業(yè)5.0發(fā)展

自主移動(dòng)機(jī)器人泛指一種能夠獨(dú)立理解環(huán)境并在其環(huán)境中移動(dòng)的機(jī)器人，自主移動(dòng)機(jī)器人與其前身自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）不同，后者依賴于軌道或預(yù)定義路徑，并且通常需要操作員監(jiān)督。

自主移動(dòng)機(jī)器人具有多種優(yōu)勢(shì)，例如提高效率、降低勞動(dòng)力成本和提高安全性。它們可以運(yùn)輸貨物、在工作站之間移動(dòng)物品，以及在制造過程中執(zhí)行質(zhì)量控制任務(wù)。此外，自主移動(dòng)機(jī)器人也適合應(yīng)用在醫(yī)療保健、物流倉(cāng)儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)、零售、餐飲業(yè)、酒店業(yè)等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來自主移動(dòng)機(jī)器人將會(huì)有更多創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用。

目前自主移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展極為快速，結(jié)合工業(yè)5.0這個(gè)熱門名詞，代表著極為可觀的市場(chǎng)發(fā)展商機(jī)。工業(yè)5.0不僅是工業(yè)4.0的技術(shù)升級(jí)，更是一種全新的產(chǎn)業(yè)哲學(xué)，它強(qiáng)調(diào)人與機(jī)器的協(xié)同合作，將人的創(chuàng)造性與機(jī)器的效能完美結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)質(zhì)量和工作效率。

不同于工業(yè)4.0僅僅專注于機(jī)器和數(shù)據(jù)分析，工業(yè)5.0更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)人的創(chuàng)造性和機(jī)器的效能結(jié)合，強(qiáng)調(diào)人與機(jī)器的和諧共存，人類與先進(jìn)技術(shù)和人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人一起工作，可改善工作場(chǎng)所流程與增強(qiáng)彈性，這不僅能減少人力成本，也能提升工作質(zhì)量。越來越智能的自主移動(dòng)機(jī)器人，將在工業(yè)5.0的人機(jī)協(xié)作扮演關(guān)鍵的角色。

機(jī)器人通過傳感器來感知實(shí)體世界

隨著自主移動(dòng)機(jī)器人變得更加智能并能夠與人類交互和協(xié)作，其所涉及的技術(shù)數(shù)量也在增加，例如運(yùn)動(dòng)、機(jī)器視覺、自主導(dǎo)航、傳感和連接。設(shè)計(jì)自主移動(dòng)機(jī)器人涉及各種重要組件，例如無刷直流電機(jī)、傳感器、電源、照明和通信。由于篇幅有限，以下將以傳感器為主軸進(jìn)行介紹。

在自主移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中，傳感器扮演著關(guān)鍵的角色，通過傳感器，機(jī)器人可以感知實(shí)體世界，判斷物件、距離、方向等環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合算法來判斷移動(dòng)方向與速度，躲避障礙物與找出最佳路徑，是自主移動(dòng)機(jī)器人的重要感官。

隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，新的進(jìn)步使自主移動(dòng)機(jī)器人能夠在復(fù)雜的環(huán)境中導(dǎo)航，并以更高的準(zhǔn)確性和精度與周圍環(huán)境進(jìn)行交互。自主移動(dòng)機(jī)器人使用多種傳感器來滿足不同的傳感要求，像是圖像傳感器、激光雷達(dá)系統(tǒng)、位置傳感器、可見光通信（VLC）驅(qū)動(dòng)器等。

圖像傳感器和圖像信號(hào)處理器可用于視覺感知，使機(jī)器人能夠檢測(cè)和識(shí)別物體并在環(huán)境中導(dǎo)航。激光雷達(dá)系統(tǒng)（LiDAR）則用于3D測(cè)繪和避障，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜的環(huán)境中導(dǎo)航。

位置傳感器則可測(cè)量機(jī)器人輪子或其他運(yùn)動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)，使其能夠準(zhǔn)確跟蹤其在3D空間中的位置和方向。超聲波和紅外傳感器測(cè)量與物體的距離，使機(jī)器人能夠檢測(cè)障礙物并避免碰撞。可見光通信驅(qū)動(dòng)器則使用可見光傳輸數(shù)據(jù)，這些驅(qū)動(dòng)器可使機(jī)器人能夠與其他設(shè)備進(jìn)行通信，包括自主移動(dòng)機(jī)器人和人類用戶。以下將為您介紹一些新推出的先進(jìn)傳感器供您選擇與參考。

意法半導(dǎo)體先進(jìn)的加速度與距離傳感器

由意法半導(dǎo)體推出的ISM330DHCX是一款系統(tǒng)級(jí)封裝器件，具有專為工業(yè)應(yīng)用量身定制的高性能3D數(shù)字加速計(jì)和3D數(shù)字陀螺儀，這款意法半導(dǎo)體的MEMS傳感器模塊系列，采用專門的微型機(jī)械加工工藝制造，而IC接口則使用CMOS技術(shù)開發(fā)，可以設(shè)計(jì)出專用電路，對(duì)該電路進(jìn)行修調(diào)可以更好地匹配傳感器件的特性。在ISM330DHCX中，加速度計(jì)和陀螺儀的傳感組件在同一硅芯片上實(shí)現(xiàn)，從而保證了卓越的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。

ISM330DHCX的加速計(jì)可選量程為±2/±4/±8/±16 g，陀螺儀可選量程為±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000 dps，能夠用在各種應(yīng)用中。ISM330DHCX在所有設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和校準(zhǔn)方面進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了極高的精度、穩(wěn)定性、極低噪聲和完全的數(shù)據(jù)同步。

ISM330DHCX內(nèi)置一組前所未有的嵌入式功能（機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核、可編程FSM、FIFO、Sensor Hub、事件解碼和中斷）推動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能和復(fù)雜的傳感器節(jié)點(diǎn)，以非常低的功率提供高性能。ISM330DHCX采用14引線塑料焊盤柵格陣列（LGA）封裝。

在測(cè)量距離方面，意法半導(dǎo)體新款的VL53L8CX是高性能的低功耗8x8多區(qū)域飛行時(shí)間（ToF）傳感器，它在環(huán)境光下能夠在降低功耗的同時(shí)增強(qiáng)性能。該傳感器基于意法半導(dǎo)體的FlightSense技術(shù)設(shè)計(jì)，能夠提供最高400 cm的精確測(cè)距，并具有65°對(duì)角線視場(chǎng)。

VL53L8CX集成了功能強(qiáng)大的新一代VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器），以及兩個(gè)先進(jìn)的超表面鏡頭。硬件封裝在創(chuàng)新的“一體化”模塊中，這使得它能夠適用于更廣泛的高性能應(yīng)用場(chǎng)景，如低功耗系統(tǒng)激活、手勢(shì)識(shí)別、機(jī)器人SLAM（同時(shí)定位與地圖構(gòu)建）、液位監(jiān)控等多種用途。

VL53L8CX采用意法半導(dǎo)體的專利算法，可以檢測(cè)和跟蹤視場(chǎng)內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)，具有64區(qū)域深度測(cè)量能力。意法半導(dǎo)體的直方圖確保蓋片玻璃串?dāng)_抗擾度超過60 cm。與所有基于意法半導(dǎo)體FlightSense技術(shù)的ToF傳感器一樣，VL53L8CX能夠測(cè)量絕對(duì)距離，不受目標(biāo)顏色和反射率的影響。VL53L8CX并支持SPI和I2C接口，確保高頻幀率和短啟動(dòng)時(shí)間。

VL53L8CX的VCSEL發(fā)射940 nm的完全不可見紅外光，這種VCSEL具有1級(jí)認(rèn)證，對(duì)眼睛是安全的。使用VL53L8CP可以進(jìn)行場(chǎng)景瀏覽和多區(qū)域檢測(cè)，這歸因于軟件可定制的檢測(cè)陣列，它能快速且低功耗地檢測(cè)到人體存在，此類檢測(cè)被稱為微深度圖。

安森美的新款旋轉(zhuǎn)位置傳感器與圖像傳感器

另一方面，安森美推出的NCS32100工業(yè)旋轉(zhuǎn)位置傳感器，提供了全功能控制器和傳感器接口，與印刷電路板傳感器配合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度角度傳感。NCS32100具有靈活的配置功能，允許連接到各種電感式傳感器模式，并提供各種數(shù)字輸出格式。與傳統(tǒng)位置傳感器解決方案相比，電感傳感技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括但不限于對(duì)溫度不敏感、機(jī)械簡(jiǎn)化和對(duì)污染物不敏感等特性。

NCS32100支持2.5MHz UART接口，用于連接半雙工RS-485驅(qū)動(dòng)器，支持6000 rpm的全精度最大速度，最大功能轉(zhuǎn)子速度可達(dá)45000 rpm，采用2.7V - 5.5V電源電壓范圍，支持電池備份以進(jìn)行多圈計(jì)數(shù)跟蹤，傳感器接口具高度可配置能力（最多8個(gè)通道），并可通過可編程的過溫閾值報(bào)告內(nèi)部器件溫度，以及通過可編程低電池閾值報(bào)告?zhèn)溆秒姵仉妷骸?/p>

NCS32100的外部主數(shù)據(jù)采集命令響應(yīng)時(shí)間為3μs，全工作電流為80mA，支持自校準(zhǔn)功能，具有20位位置分辨率、24位多圈分辨率，并支持延遲取消功能。NCS32100可應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人／協(xié)作機(jī)器人、角位置和速度傳感、伺服控制等領(lǐng)域，最終產(chǎn)品為編碼器模塊。

安森美擁有完整且多樣的圖像傳感器產(chǎn)品線，其中這款A(yù)R0822 CMOS圖像傳感器是一款基于2.0 μm像素的8兆像素（MP）堆疊式1/1.8英寸（8.81毫米對(duì)角線）BSI（背面照明）CMOS數(shù)字圖像傳感器。它具有3840 (H) x 2160 (V)的有源像素陣列，能夠以每秒60幀（fps）的速度播放4K視頻，以線性或eHDR模式（120 dB）滾動(dòng)捕捉圖像快門讀數(shù)，提供出色的視頻性能。

AR0822可在3次曝光中以30 fps快速、全分辨率捕捉3840 X 2160的視頻，嵌入式高動(dòng)態(tài)范圍（eHDR）高達(dá)120 dB，可在具有靈活曝光比控制的先進(jìn)傳感器上進(jìn)行eHDR重建，支持兩條曝光線Li-HDR輸出，具備運(yùn)動(dòng)喚醒功能與擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍（eDR），智能線性化可最大限度地減少運(yùn)動(dòng)偽影和LED閃爍。AR0822可應(yīng)用于安全和監(jiān)控?cái)z像頭、機(jī)器人技術(shù)、車輛儀表盤攝像頭等領(lǐng)域。

結(jié)語

自主移動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)中變得越來越重要，其成功取決于為其設(shè)計(jì)和開發(fā)精心選擇理想的技術(shù)，以優(yōu)化自主移動(dòng)機(jī)器人的性能，并確保其滿足應(yīng)用的特定要求。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，自主移動(dòng)機(jī)器人變得越來越復(fù)雜和強(qiáng)大，能夠以更高的效率和精度執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，這也拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。