【導(dǎo)讀】談及“自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）”時(shí)，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(duì)較大的機(jī)器人系統(tǒng)。過去，鮮有人會(huì)想到盡職盡責(zé)跟隨主人全球奔波的、由人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）驅(qū)動(dòng)的拉桿箱。更鮮有人會(huì)料想到這項(xiàng)技術(shù)能夠在今天實(shí)現(xiàn)商用。家用AI/ML系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)的曙光已經(jīng)出現(xiàn)。為了進(jìn)一步推動(dòng)這場(chǎng)革命，工程師必須克服一些硬件和軟件障礙，才能通過TSA認(rèn)證，并在緊湊空間內(nèi)安裝所有必要的電子系統(tǒng)，既不會(huì)顯著增加重量，同時(shí)還保持成本競(jìng)爭(zhēng)力。
圖源：scharfsinn86/Stock.Adobe.com
本文將向讀者介紹小型消費(fèi)類AMR系統(tǒng)（特別是行李箱）的發(fā)展趨勢(shì)，并討論小型消費(fèi)類AMR系統(tǒng)走向大規(guī)模市場(chǎng)所涉及的各種硬件和軟件問題以及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
面向21世紀(jì)旅客的AMR行李箱
對(duì)于大多數(shù)人而言，長(zhǎng)途旅行最大的拖累莫過于拖著行李箱輾轉(zhuǎn)于各大機(jī)場(chǎng)、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(jì)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(jìn)步卻寥寥無幾。幸運(yùn)的是，這一切最近都發(fā)生了變化?，F(xiàn)有的市售AMR行李箱系統(tǒng)被設(shè)計(jì)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(jìn)步，這些行李箱內(nèi)置可為智能手機(jī)充電的電池、GPS定位、開箱檢測(cè)功能，甚至還有可供用戶騎座的設(shè)計(jì)。借助新型AMR行李箱系統(tǒng)，AI/ML技術(shù)用于在整個(gè)繚亂喧囂的旅途中為用戶導(dǎo)航，從家出發(fā)，經(jīng)過中轉(zhuǎn)站，并最終到達(dá)目的地。這類導(dǎo)航需要復(fù)雜的視覺系統(tǒng)、接近檢測(cè)系統(tǒng)、智能手機(jī)接口以及移動(dòng)機(jī)器人電子設(shè)備。
小型消費(fèi)類AMR系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)較小，必須保持重量輕且易于使用，即便在不使用時(shí)亦如此。此外，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)為在本身比較危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中保持安全，而消費(fèi)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(dòng)機(jī)器人高效、可靠且響應(yīng)迅速的普遍需求外，小型/個(gè)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(duì)復(fù)雜的AI/ML在意外碰撞不可避免的混亂環(huán)境中進(jìn)行跟蹤、跟隨和導(dǎo)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(gè)接近系統(tǒng)來確定與物理對(duì)象的距離和深度。因此，傳感器融合對(duì)于小型AMR行李箱而言至關(guān)重要，因?yàn)槿藗兿Ｍ@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(jī)器人系統(tǒng)更深入了解環(huán)境的常用方法。機(jī)器人視覺系統(tǒng)過去相當(dāng)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(jī)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(gè)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(dòng)操作，這種實(shí)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(shí)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(xué)透明，而在可視光頻率下相對(duì)不透明，從而保護(hù)IR傳感器。此外，目標(biāo)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(jìn)行飛行時(shí)間感測(cè)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)
移動(dòng)系統(tǒng)是小型AMR的一個(gè)主要設(shè)計(jì)點(diǎn)。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(jì)質(zhì)量以及AMR移動(dòng)系統(tǒng)所選擇的設(shè)備/組件。典型的AMR移動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)控制系統(tǒng)以及儲(chǔ)能裝置（通常為電池）。高效電機(jī)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(jī)控制解決方案即使可以實(shí)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(chǎng)可編程門陣列（FPGA）解決方案。
小型消費(fèi)類AMR行李箱可能會(huì)使用小型無刷直流（BLDC）電機(jī)，通常為三相，以實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用所需的響應(yīng)能力和效率。不過BLDC電機(jī)需要專門的電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，要同時(shí)驅(qū)動(dòng)三個(gè)獨(dú)立的相位，并具有傳感器輸入能力和足夠的功率來承擔(dān)BLDC電機(jī)控制算法的計(jì)算負(fù)載。
過去，像這樣的電機(jī)控制系統(tǒng)需要對(duì)每個(gè)功能進(jìn)行完整的定制設(shè)計(jì)，并需要必要的資源來迭代設(shè)計(jì)功能解決方案。如今，含嵌入式MCU的BLDC電機(jī)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(shí)間、減小PCB面積并盡量降低總體物料清單（BOM）的復(fù)雜性。
高度集成的電機(jī)控制器/MCU，如STMicroelectronics STSPIN32G4，可在單個(gè)封裝中提供高級(jí)電機(jī)控制功能和處理。圖2就采用STSPIN32G4系統(tǒng)級(jí)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(fèi)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(jí)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(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)以兼容用戶的智能手機(jī)，還可連接到其他IEEE 802.15.4無線協(xié)議以進(jìn)行測(cè)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(dú)的無線芯片會(huì)顯著增加電路板面積，尤其是在考慮需要保持設(shè)計(jì)的電磁兼容（EMC）合規(guī)性時(shí)。因此，內(nèi)置無線功能，例如低功耗藍(lán)牙5（BLE5）和IEEE 802.15.4?通信協(xié)議的微控制器，可以顯著簡(jiǎn)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)大有裨益，同時(shí)還能延長(zhǎng)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(dāng)中，但自動(dòng)跟隨用戶、包攬長(zhǎng)途旅行中一些苦差事的機(jī)器人行李箱今天已經(jīng)問世。未來將出現(xiàn)更多的機(jī)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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，同時(shí)確保安全性和使用方便性。
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