工程師如何應對消費者自主機器人系統挑戰

當人們聽到“自主移動機器人 (AMR)”時，許多人會想象相對較大的機器人系統在訂單履行中心、倉庫或各種工業應用中運行。很少有人會想到人工智能/機器學習 (AI/ML) 驅動的滾動手提箱會盡職盡責地跟隨主人前往全球各地旅行。更少人會想到這項技術今天可以在商業上獲得。家用 AI/ML 系統和機器人技術的曙光就在這里。為了進一步推動這場革命，工程師必須克服幾個硬件和軟件障礙才能獲得 TSA 批準，并將所有必要的電子系統安裝在一個緊湊的空間內，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類 AMR 系統的趨勢——特別是行李和各種硬件和軟件問題——以及與將小型消費類 AMR 系統推向大眾相關的設計挑戰。

適合 21 世紀旅行者的 AMR 行李箱

拖著行李穿過機場、火車站和汽車站通常是大多數人與長途旅行相關的最大阻力之一。因此，令人驚訝的是，在過去的幾十年里，行李箱設計幾乎沒有什么創新。雖然箱包在過去 20 年里經歷了一場美學大修，但在真正的技術進步方面做得并不多。幸運的是，最近這一切都發生了變化。AMR 行李系統旨在僅使用機載系統跟蹤和跟隨其所有者，現已上市。

這是對典型智能行李箱的重大改進，其中包括具有內置電池的行李箱系統，用于為智能手機充電、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，AI/ML 技術被用于在令人眼花繚亂的雜亂環境中導航，從家中經過中轉站，到達用戶的目的地。這種類型的導航需要復雜的視覺系統、接近檢測系統、智能手機接口和移動機器人電子設備。

小型消費類 AMR 系統設計面臨的挑戰

與工業 AMR 系統不同，消費類 AMR 行李箱相對較小，即使在不運行時也必須保持重量輕且易于使用。此外，工業機器人被設計成在本質上危險的工業環境中是安全的，而消費類 AMR 必須在不受控制的環境中工作。因此，隨著對移動機器人高效、可靠和響應的普遍需求，小型/個人 AMR 行李系統還必須解決繁忙的交通終端和分心的用戶帶來的混亂。這需要相對復雜的 AI/ML，能夠跟蹤、跟隨和導航可能不可避免發生意外碰撞的混亂環境。

小型消費類 AMR AI/ML 視覺系統和接近傳感器

雖然 2D 相機圖像可以提供上下文，但仍然需要接近系統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 行李箱至關重要，這些行李箱有望在沒有過多指導的情況下與用戶一起拉動。

傳感器融合是機器人系統獲得比常規 2D 相機圖像所顯示的更深入的環境洞察力的常用方法。過去，機器人視覺系統體積龐大且價格昂貴，但隨著視覺系統逐漸縮小，接近傳感器封裝變得更加緊湊，更易于用于機器視覺。

為了讓 AMR 行李箱保持現代行李箱的苗條美感，接近傳感器和視覺系統必須足夠緊湊，以適應光滑的外形，而又不會過于明顯。這給視覺和接近系統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。這種超緊湊的方法對于減輕與手動使用的 AMR 電子設備相關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用的理想選擇。IR 傳感器可以在 IR 頻率下由光學透明透鏡保護，但在可見光頻率下相對不透明。此外，目標顏色和反射率不變量包括采用垂直腔面發射激光器 (VCSEL) IR 技術進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 行李箱應用。（來源：貿澤電子）

小型消費者 AMR 移動

小型消費類 AMR 行李箱可能會使用通常為三相的小型無刷直流 (BLDC) 電機，以實現此應用所需的響應速度和效率。然而，BLDC 電機需要專門的電機控制器和驅動器技術，可以同時驅動三個獨立的相位，具有傳感器輸入能力和足夠的功率來處理 BLDC 電機控制數學的計算負載。

過去，像這樣的電機控制系統需要對每個功能進行完整的定制設計，以及迭代設計功能解決方案所需的資源。現在，帶有嵌入式 MCU 的 BLDC 電機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時間、減少 PCB 面積并最大限度地降低整體物料清單 (BOM) 的復雜性。

圖 2：高度集成的電機控制器/MCU，例如STMicroelectronics STSPIN32G4，可以在單個封裝中提供高級電機控制功能和處理。上圖是帶有 STSPIN32G4 系統級封裝 (SiP) 和 STL110N10F7 功率 MOSFET 的 STMicroelectronics EVSPIN32G4 演示板。（來源：貿澤電子）

小型消費類 AMR 無線通信

小型消費者 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，現代電子產品可以從無線 (OTA) 升級中獲益，尤其是 AMR 行李箱等新產品和實驗產品。這意味著 AMR 行李箱系統還需要結合各種無線標準以與用戶的智能手機兼容，并可能連接到其他 IEEE 802.15.4 無線協議以進行測試、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計的電磁兼容性 (EMC) 合規性時。因此，具有內置無線功能的微控制器，例如Bluetooth? Low Energy 5 (BLE5) 和 IEEE 802.15.4 ?通信協議，可以顯著簡化開發過程，并能夠更快地開發具有無線功能的 AMR 行李箱（圖 3).

圖 3：多協議無線微控制器片上系統 (SoC) 可以極大地有利于物聯網設備的設計和開發，同時延長應用程序的電池壽命。（來源：貿澤電子）
盡管飛行汽車仍在發展，但自動跟隨用戶并消除長途旅行的一些苦差事的機器人行李今天已經出現。未來將會出現更多創新的機器人行李箱創意，所有這些創意都必須在高度緊湊的包裝中安裝自主移動機器人系統，同時確保安全性和用戶友好性

審核編輯黃昊宇