聊起機(jī)器人，大家并不陌生，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人與人類(lèi)之間總是保持著相當(dāng)?shù)木嚯x，這是因?yàn)樗鼈兇蠖急话仓迷谏a(chǎn)線上，體型龐大，從事著那些人類(lèi)力所不能及的工作，而且出于安全的考慮，其工作區(qū)域是與人類(lèi)員工嚴(yán)格隔離的。不過(guò)，細(xì)心的小伙伴會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著新一代自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）的出現(xiàn)，機(jī)器人在人們心目中的刻板形象正在被打破，它們正在被賦予新的含義，并開(kāi)始真正走入我們的生活。

眾所周知，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人是為了完成生產(chǎn)線上特定的任務(wù)而構(gòu)建的，它們被“固定”在特定的范圍內(nèi)，按照既定的程序快速、精確而重復(fù)地工作。這種“定位”決定了雖然它們?cè)诠ぷ餍噬鲜且话押檬?，但缺乏（?shí)際上也不需要）動(dòng)態(tài)的環(huán)境感知能力。

而隨著社會(huì)老齡化的發(fā)展，全球勞動(dòng)力短缺的影響，以及各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要，對(duì)于輕量級(jí)、具有環(huán)境自適應(yīng)能力、能夠與人類(lèi)直接交互和協(xié)作的新型機(jī)器人的需求不斷涌現(xiàn)，AMR也就應(yīng)運(yùn)而生了。

AMR打破了傳統(tǒng)機(jī)器人固有的工作模式，作為一種具有自主導(dǎo)航能力、可以移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)，AMR無(wú)需人為干預(yù)，就能夠?qū)崟r(shí)感知周?chē)h(huán)境，并靈活地適應(yīng)環(huán)境，做出繞開(kāi)障礙物、動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級(jí)等更智能的決策和行動(dòng)。

不難看出，AMR的出現(xiàn)，使得人們對(duì)機(jī)器人的認(rèn)知和定位，從固定、隔離的傳統(tǒng)自動(dòng)化模式，向可移動(dòng)、易協(xié)作、更安全、更智能的自適應(yīng)體系轉(zhuǎn)變，并開(kāi)啟了更廣闊的創(chuàng)新應(yīng)用空間。今天，無(wú)論是智能倉(cāng)儲(chǔ)中的搬運(yùn)和分揀，還是醫(yī)療保健領(lǐng)域的物資配送，無(wú)論是智慧農(nóng)業(yè)中在復(fù)雜地形上的作業(yè)，還是零售環(huán)境中頻繁地庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)和補(bǔ)貨，都能看到形態(tài)各異的AMR忙碌的身影。

AMR的技術(shù)架構(gòu)

當(dāng)然，作為一種全新的機(jī)器人形態(tài)，AMR的發(fā)展意味著相應(yīng)的技術(shù)也要隨之進(jìn)行迭代。

AMR的核心任務(wù)，是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，而想要完成這樣一種自動(dòng)化的操作，需要以下幾個(gè)關(guān)鍵的子系統(tǒng)提供支撐：

環(huán)境感知

這是AMR實(shí)現(xiàn)自主性操作的第一步。因此，綜合利用光學(xué)攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、IMU等傳感器獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成實(shí)時(shí)、可靠的統(tǒng)一感知層，是AMR開(kāi)發(fā)中不可或缺的一環(huán)。

計(jì)算和導(dǎo)航

AMR理解周?chē)h(huán)境并動(dòng)態(tài)響應(yīng)環(huán)境的變化，是通過(guò)同步定位與建圖（SLAM）功能實(shí)現(xiàn)的。值得一提的是，隨著人工智能（AI）技術(shù)的應(yīng)用，今天的AMR可以通過(guò)學(xué)習(xí)歷史交互數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化導(dǎo)航，動(dòng)態(tài)調(diào)整行進(jìn)路線，而不再依賴(lài)于固定的編碼，這也使得AMR變得更加“聰明”。

電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)

AMR的移動(dòng)能力，離不開(kāi)精準(zhǔn)可靠的電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)。衡量AMR電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)劣，不僅要看其實(shí)時(shí)性和精確性，還涉及到多電機(jī)協(xié)同運(yùn)行，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率等多方面的要素。

電源與電池管理

AMR的移動(dòng)性，決定了其需要依靠電池進(jìn)行供電，因此如何通過(guò)電池管理，制定和實(shí)施更優(yōu)的充放電策略，以及通過(guò)高效的電源管理系統(tǒng)，更大限度地提升電力轉(zhuǎn)換和利用的效率，提升AMR的續(xù)航能力，提升其工作效率和實(shí)用價(jià)值，顯得尤為關(guān)鍵。

互連和通信

可靠的通信是AMR在動(dòng)態(tài)環(huán)境中運(yùn)行的支柱。有線連接有助于在AMR內(nèi)部建立起穩(wěn)定、低延遲的分布式架構(gòu)，以支持不斷擴(kuò)展的功能；而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)則是AMR實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、多設(shè)備協(xié)調(diào)以及與云端控制中樞交互的數(shù)據(jù)通道。

綜合分析上述AMR的系統(tǒng)架構(gòu)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)一個(gè)高性能、可規(guī)模化商用的AMR產(chǎn)品，有三個(gè)基礎(chǔ)性的賦能技術(shù)至關(guān)重要：

1全方位的傳感技術(shù)

2高效的能源管理

3新一代數(shù)據(jù)通信

為了幫助開(kāi)發(fā)者快速建立起這些技術(shù)能力，打造出下一代AMR，onsemi（安森美）推出了全系列的產(chǎn)品組合和完整的解決方案。本文將對(duì)這些豐富的技術(shù)資源進(jìn)行一次“挖掘”，看看其中蘊(yùn)含著哪些不容錯(cuò)過(guò)的“寶藏”。

全方位的傳感技術(shù)

如上文所述，傳感器決定了AMR感知周?chē)h(huán)境的能力。圖像傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器等，都是開(kāi)發(fā)者可用的技術(shù)選項(xiàng)。

不過(guò)，想要在不斷變化、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)持續(xù)感知、信息解讀和復(fù)雜輸入響應(yīng)的能力，單一的傳感器難免會(huì)顯得捉襟見(jiàn)肘，這就需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中整合多種傳感器，讓它們優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并通過(guò)傳感器融合將來(lái)自各個(gè)傳感器的原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù)組合成統(tǒng)一的感知模型，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的感知能力和魯棒性，為后續(xù)的SLAM和自主運(yùn)動(dòng)決策提供數(shù)據(jù)基石。

為了滿(mǎn)足AMR多樣化的傳感需求，onsemi可提供包括立體視覺(jué)、間接飛行時(shí)間 (iTOF)、直接飛行時(shí)間（dTOF）和超聲波傳感在內(nèi)的豐富的傳感器產(chǎn)品。

onsemi的AR0235數(shù)字圖像傳感器，是一款1/2.8英寸的2MP CMOS傳感器，具有1920 x 1200的分辨率，由于配備了創(chuàng)新的全局快門(mén)技術(shù)，其可以準(zhǔn)確而高效地捕獲動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

AR0235圖像傳感器支持連續(xù)視頻拍攝及單幀圖像捕獲，還提供多種實(shí)用的攝像頭功能，如自動(dòng)曝光控制、輸出像素窗口控制(windowing)、行跳躍模式、列跳躍模式以及像素分組（binning）等。該數(shù)字圖像傳感器可通過(guò)簡(jiǎn)單的兩線串行接口進(jìn)行編程，在低光照和明亮等不同的場(chǎng)景中都能生成清晰、銳利、低噪聲的圖像。這些特性使得AR0235傳感器非常適合用于AMR的視覺(jué)感知應(yīng)用。

與視覺(jué)傳感器不同，超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量高頻聲波的飛行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)測(cè)距和障礙物檢測(cè)等空間感知應(yīng)用，由于不受視覺(jué)遮擋或透明度的影響，超聲波傳感器在檢測(cè)透明表面、反光材料和細(xì)微運(yùn)動(dòng)（如人類(lèi)呼吸）上有特殊的價(jià)值。

NCV75215超聲波測(cè)量ASSP是onsemi專(zhuān)為精確的障礙物距離測(cè)量而打造的傳感器，其以可編程頻率驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波，并處理接收的回波，通過(guò)飛行時(shí)間（TOF）測(cè)量確定障礙物的距離，可檢測(cè)0.25m至4.5m范圍內(nèi)的障礙物，具有高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)。

NCV75215具有可調(diào)增益控制、可聞噪聲監(jiān)控以及診斷功能，此外還包括用于配置用戶(hù)數(shù)據(jù)的EEPROM存儲(chǔ)器，以確?？煽亢涂啥ㄖ频牟僮?。該超聲波傳感器在汽車(chē)泊車(chē)輔助應(yīng)用中已有成功的應(yīng)用，諸多優(yōu)勢(shì)也令其在AMR應(yīng)用中游刃有余。

總之，不同的傳感器各具特點(diǎn)，在精度、范圍、功率和可靠性等方面各有所長(zhǎng)，onsemi可為AMR應(yīng)用提供多樣化的高性能傳感器產(chǎn)品，并通過(guò)傳感器融合，使不同類(lèi)型傳感器在性能上相互補(bǔ)強(qiáng)，切實(shí)提高AMR在空間感知上的魯棒性。

高效的能源管理

作為移動(dòng)設(shè)備，AMR由電池供電，并依賴(lài)高能效的電源管理架構(gòu)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航能力，更大限度地減少停機(jī)充電時(shí)間，因此高能效設(shè)計(jì)是AMR產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的核心訴求之一。

AMR的高能效設(shè)計(jì)需要從供電和用電兩個(gè)方面去進(jìn)行考慮和優(yōu)化。

在供電端，AMR的電池組通常需要1-3 kV的充電能力，且要求充電過(guò)程中能量損失更小、速度更快，這就為AMR電池充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的復(fù)雜性。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)提高充電效率，圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）架構(gòu)成為了AMR充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案，其在系統(tǒng)架構(gòu)中消除了輸入二極管橋，LLC拓?fù)涞戎C振轉(zhuǎn)換器可在變化的負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，而且該架構(gòu)還可與SiC MOSFET等新一代寬帶隙半導(dǎo)體功率器件配合使用，以支持更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的熱耐受性。

onsemi的NCP1681圖騰柱功率因數(shù)控制器就是一款用于驅(qū)動(dòng)無(wú)橋圖騰柱PFC拓?fù)涞钠骷?，該拓?fù)湎藗鹘y(tǒng)PFC電路輸入端的二極管電橋，從而大幅提高了功率級(jí)效率。NCP1681控制器可配置為在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）或多模式（CrM-CCM）下工作，在不同負(fù)載條件下都有上架的效率表現(xiàn)。

在AMR的用電端，電機(jī)控制無(wú)疑是“能耗大戶(hù)”，而高效驅(qū)動(dòng)是降低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗、減少功率耗散、提升電機(jī)控制效率的關(guān)鍵。

為此，onsemi推出了NCD83591電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。NCD83591是一款3相柵極驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)為無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它集成了三個(gè)獨(dú)立的半橋驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)檢測(cè)放大器，以提供簡(jiǎn)單易用的柵極驅(qū)動(dòng)器。NCD83591的輸入電壓高至60V，提供了充足的裕量以驅(qū)動(dòng)額定電壓通常為12V至42V的電機(jī)，適用于大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。

NCD83591一個(gè)突出的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了恒流柵極驅(qū)動(dòng)，而不是傳統(tǒng)的恒壓柵極驅(qū)動(dòng)，這使其在提供相同的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換時(shí)間條件下，能夠節(jié)省串聯(lián)柵極電阻的成本，且驅(qū)動(dòng)電路更小，還有助于防止自導(dǎo)通。加之NCD83591采用了小尺寸的封裝，使其具有更高的功率密度且更易于使用，成為了AMR高能效電機(jī)控制的理想選擇。

新一代數(shù)據(jù)通信

AMR更加自主性和智能化的操作，使得可靠的數(shù)據(jù)通信變得至關(guān)重要。具體到AMR的內(nèi)部架構(gòu)，在環(huán)境感知、電機(jī)控制、安全和電池管理等子系統(tǒng)之間，需要確定性的數(shù)據(jù)通信為其實(shí)時(shí)、精確的運(yùn)動(dòng)提供保障。

傳統(tǒng)的工業(yè)控制中，控制器局域網(wǎng)（CAN）因其優(yōu)秀的抗噪性且適用于時(shí)間敏感信息的傳輸，一直是優(yōu)選總線協(xié)議。然而，對(duì)于需要傳輸大量傳感器數(shù)據(jù)、支持傳感器融合的AMR來(lái)講，CAN有限的帶寬限制了其在這種數(shù)據(jù)密集型任務(wù)中的使用。

為了突破這一瓶頸，基于以太網(wǎng)、具有更大數(shù)據(jù)吞吐能力的互連解決方案應(yīng)運(yùn)而生。特別是近年來(lái)備受關(guān)注的10BASE-T1S以太網(wǎng)通信協(xié)議，由于其可利用單條雙絞線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接，允許多個(gè)設(shè)備共享公共總線，且具有更高的帶寬和更少的布線復(fù)雜性，特別適用于AMR這類(lèi)空間緊湊的輕量級(jí)設(shè)備平臺(tái)。

緊隨這一新興的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，onsemi推出了NCN26000以太網(wǎng)10BASE-T1S收發(fā)器，其符合IEEE 802.3cg規(guī)范，可通過(guò)單對(duì)非屏蔽雙絞線傳輸和接收數(shù)據(jù)，支持10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率（半雙工）。

NCN26000支持大于25m的傳輸距離，多至8個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接，通過(guò)本地配置可在共享介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突操作，避免物理層沖突（PLCA）。增強(qiáng)型的抗噪模式，使其能夠以超過(guò)IEEE 802.3 cg規(guī)范要求的噪聲水平進(jìn)行通信。該收發(fā)器使用標(biāo)準(zhǔn)MII管理接口（MDIO）進(jìn)行配置和監(jiān)控，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)序列中使用專(zhuān)用引腳上的拉動(dòng)電阻器進(jìn)行局部配置。

不難看出，有了NCN26000收發(fā)器等創(chuàng)新產(chǎn)品的加持，新一代10BASE-T1S以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在AMR上的部署和應(yīng)用也會(huì)大大加速，從而以更簡(jiǎn)單的布線支持更高速和可靠的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的感知和控制。

本文小結(jié)

AMR自主移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，讓人們看到機(jī)器人走出工廠車(chē)間，真正融入到我們生活、與用戶(hù)進(jìn)行互動(dòng)和協(xié)作的無(wú)限可能性。而在AMR的背后，關(guān)鍵的賦能技術(shù)作為重要的推手，正在為其發(fā)展提供更大的加速度。

從創(chuàng)新的傳感技術(shù)，到高能效設(shè)計(jì)，以及新一代數(shù)據(jù)通信，onsemi正在為AMR的發(fā)展打造強(qiáng)力的技術(shù)引擎。