【導讀】談及“自主移動機器人（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器人系統(tǒng)。過去，鮮有人會想到盡職盡責跟隨主人全球奔波的、由人工智能/機器學習（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)和機器人技術(shù)的曙光已經(jīng)出現(xiàn)。為了進一步推動這場革命，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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本文將向讀者介紹小型消費類AMR系統(tǒng)（特別是行李箱）的發(fā)展趨勢，并討論小型消費類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)進步卻寥寥無幾。幸運的是，這一切最近都發(fā)生了變化。現(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步，這些行李箱內(nèi)置可為智能手機充電的電池、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航，從家出發(fā)，經(jīng)過中轉(zhuǎn)站，并最終到達目的地。這類導航需要復雜的視覺系統(tǒng)、接近檢測系統(tǒng)、智能手機接口以及移動機器人電子設(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，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。這需要相對復雜的AI/ML在意外碰撞不可避免的混亂環(huán)境中進行跟蹤、跟隨和導航。
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，傳感器融合是機器人系統(tǒng)更深入了解環(huán)境的常用方法。機器人視覺系統(tǒng)過去相當龐大且昂貴，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頻率下為光學透明，而在可視光頻率下相對不透明，從而保護IR傳感器。此外，目標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。
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、電機驅(qū)動器、電機控制系統(tǒng)以及儲能裝置（通常為電池）。高效電機控制微控制器單元（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。
小型消費類AMR行李箱可能會使用小型無刷直流（BLDC）電機，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電機需要專門的電機控制器和驅(qū)動技術(shù)，要同時驅(qū)動三個獨立的相位，并具有傳感器輸入能力和足夠的功率來承擔BLDC電機控制算法的計算負載。
過去，像這樣的電機控制系統(tǒng)需要對每個功能進行完整的定制設(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）的復雜性。
高度集成的電機控制器/MCU，如STMicroelectronics STSPIN32G4，可在單個封裝中提供高級電機控制功能和處理。圖2就采用STSPIN32G4系統(tǒng)級封裝（SiP）與STL110N10F7功率MOSFET。
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準以兼容用戶的智能手機，還可連接到其他IEEE 802.15.4無線協(xié)議以進行測試、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。
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)當中，但自動跟隨用戶、包攬長途旅行中一些苦差事的機器人行李箱今天已經(jīng)問世。未來將出現(xiàn)更多的機器人行李箱創(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器人系統(tǒng)，同時確保安全性和使用方便性。
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