安森美产品如何助力打造下一代自主移动机器人

聊起机器人，大家并不陌生，但在相当长的时间内，机器人与人类之间总是保持着相当的距离，这是因为它们大都被安置在生产线上，体型庞大，从事着那些人类力所不能及的工作，而且出于安全的考虑，其工作区域是与人类员工严格隔离的。不过，细心的小伙伴会发现，随着新一代自主移动机器人（AMR）的出现，机器人在人们心目中的刻板形象正在被打破，它们正在被赋予新的含义，并开始真正走入我们的生活。

众所周知，传统的工业机器人是为了完成生产线上特定的任务而构建的，它们被“固定”在特定的范围内，按照既定的程序快速、精确而重复地工作。这种“定位”决定了虽然它们在工作效率上是一把好手，但缺乏（实际上也不需要）动态的环境感知能力。

而随着社会老龄化的发展，全球劳动力短缺的影响，以及各行各业数字化转型的需要，对于轻量级、具有环境自适应能力、能够与人类直接交互和协作的新型机器人的需求不断涌现，AMR也就应运而生了。

AMR打破了传统机器人固有的工作模式，作为一种具有自主导航能力、可以移动的机器人系统，AMR无需人为干预，就能够实时感知周围环境，并灵活地适应环境，做出绕开障碍物、动态调整任务优先级等更智能的决策和行动。

不难看出，AMR的出现，使得人们对机器人的认知和定位，从固定、隔离的传统自动化模式，向可移动、易协作、更安全、更智能的自适应体系转变，并开启了更广阔的创新应用空间。今天，无论是智能仓储中的搬运和分拣，还是医疗保健领域的物资配送，无论是智慧农业中在复杂地形上的作业，还是零售环境中频繁地库存盘点和补货，都能看到形态各异的AMR忙碌的身影。

AMR的技术架构

当然，作为一种全新的机器人形态，AMR的发展意味着相应的技术也要随之进行迭代。

AMR的核心任务，是在动态环境中实现自主导航，而想要完成这样一种自动化的操作，需要以下几个关键的子系统提供支撑：

环境感知

这是AMR实现自主性操作的第一步。因此，综合利用光学摄像头、激光雷达、超声波雷达、IMU等传感器获取数据，并对这些数据进行处理，形成实时、可靠的统一感知层，是AMR开发中不可或缺的一环。

计算和导航

AMR理解周围环境并动态响应环境的变化，是通过同步定位与建图（SLAM）功能实现的。值得一提的是，随着人工智能（AI）技术的应用，今天的AMR可以通过学习历史交互数据来优化导航，动态调整行进路线，而不再依赖于固定的编码，这也使得AMR变得更加“聪明”。

电机控制和驱动

AMR的移动能力，离不开精准可靠的电机控制和驱动。衡量AMR电机控制和驱动能力的优劣，不仅要看其实时性和精确性，还涉及到多电机协同运行，以及电机驱动的效率等多方面的要素。

电源与电池管理

AMR的移动性，决定了其需要依靠电池进行供电，因此如何通过电池管理，制定和实施更优的充放电策略，以及通过高效的电源管理系统，更大限度地提升电力转换和利用的效率，提升AMR的续航能力，提升其工作效率和实用价值，显得尤为关键。

互连和通信

可靠的通信是AMR在动态环境中运行的支柱。有线连接有助于在AMR内部建立起稳定、低延迟的分布式架构，以支持不断扩展的功能；而无线网络则是AMR实现实时定位、多设备协调以及与云端控制中枢交互的数据通道。

综合分析上述AMR的系统架构，我们会发现，开发一个高性能、可规模化商用的AMR产品，有三个基础性的赋能技术至关重要：

1全方位的传感技术

2高效的能源管理

3新一代数据通信

为了帮助开发者快速建立起这些技术能力，打造出下一代AMR，onsemi（安森美）推出了全系列的产品组合和完整的解决方案。本文将对这些丰富的技术资源进行一次“挖掘”，看看其中蕴含着哪些不容错过的“宝藏”。

全方位的传感技术

如上文所述，传感器决定了AMR感知周围环境的能力。图像传感器、激光雷达、超声波传感器等，都是开发者可用的技术选项。

不过，想要在不断变化、非结构化的环境中实现持续感知、信息解读和复杂输入响应的能力，单一的传感器难免会显得捉襟见肘，这就需要在系统设计中整合多种传感器，让它们优势互补，并通过传感器融合将来自各个传感器的原始数据和预处理数据组合成统一的感知模型，这样才能真正实现强大的感知能力和鲁棒性，为后续的SLAM和自主运动决策提供数据基石。

为了满足AMR多样化的传感需求，onsemi可提供包括立体视觉、间接飞行时间 (iTOF)、直接飞行时间（dTOF）和超声波传感在内的丰富的传感器产品。

onsemi的AR0235数字图像传感器，是一款1/2.8英寸的2MP CMOS传感器，具有1920 x 1200的分辨率，由于配备了创新的全局快门技术，其可以准确而高效地捕获动态场景。

AR0235图像传感器支持连续视频拍摄及单帧图像捕获，还提供多种实用的摄像头功能，如自动曝光控制、输出像素窗口控制(windowing)、行跳跃模式、列跳跃模式以及像素分组（binning）等。该数字图像传感器可通过简单的两线串行接口进行编程，在低光照和明亮等不同的场景中都能生成清晰、锐利、低噪声的图像。这些特性使得AR0235传感器非常适合用于AMR的视觉感知应用。

与视觉传感器不同，超声波传感器通过测量高频声波的飞行时间，实现测距和障碍物检测等空间感知应用，由于不受视觉遮挡或透明度的影响，超声波传感器在检测透明表面、反光材料和细微运动（如人类呼吸）上有特殊的价值。

NCV75215超声波测量ASSP是onsemi专为精确的障碍物距离测量而打造的传感器，其以可编程频率驱动换能器发射超声波，并处理接收的回波，通过飞行时间（TOF）测量确定障碍物的距离，可检测0.25m至4.5m范围内的障碍物，具有高灵敏度和低噪声的特点。

NCV75215具有可调增益控制、可闻噪声监控以及诊断功能，此外还包括用于配置用户数据的EEPROM存储器，以确保可靠和可定制的操作。该超声波传感器在汽车泊车辅助应用中已有成功的应用，诸多优势也令其在AMR应用中游刃有余。

总之，不同的传感器各具特点，在精度、范围、功率和可靠性等方面各有所长，onsemi可为AMR应用提供多样化的高性能传感器产品，并通过传感器融合，使不同类型传感器在性能上相互补强，切实提高AMR在空间感知上的鲁棒性。

高效的能源管理

作为移动设备，AMR由电池供电，并依赖高能效的电源管理架构实现更长的续航能力，更大限度地减少停机充电时间，因此高能效设计是AMR产品开发的核心诉求之一。

AMR的高能效设计需要从供电和用电两个方面去进行考虑和优化。

在供电端，AMR的电池组通常需要1-3 kV的充电能力，且要求充电过程中能量损失更小、速度更快，这就为AMR电池充电系统的设计带来了额外的复杂性。为了简化设计的复杂性，同时提高充电效率，图腾柱功率因数校正（PFC）架构成为了AMR充电系统设计的优选方案，其在系统架构中消除了输入二极管桥，LLC拓扑等谐振转换器可在变化的负载条件下实现软开关，而且该架构还可与SiC MOSFET等新一代宽带隙半导体功率器件配合使用，以支持更快的开关速度和更高的热耐受性。

onsemi的NCP1681图腾柱功率因数控制器就是一款用于驱动无桥图腾柱PFC拓扑的器件，该拓扑消除了传统PFC电路输入端的二极管电桥，从而大幅提高了功率级效率。NCP1681控制器可配置为在连续导通模式（CCM）或多模式（CrM-CCM）下工作，在不同负载条件下都有上架的效率表现。

在AMR的用电端，电机控制无疑是“能耗大户”，而高效驱动是降低导通和开关损耗、减少功率耗散、提升电机控制效率的关键。

为此，onsemi推出了NCD83591电机驱动器。NCD83591是一款3相栅极驱动器，专为无刷直流（BLDC）电机应用而设计，它集成了三个独立的半桥驱动器和一个检测放大器，以提供简单易用的栅极驱动器。NCD83591的输入电压高至60V，提供了充足的裕量以驱动额定电压通常为12V至42V的电机，适用于大多数工业自动化应用。

NCD83591一个突出的特点是实现了恒流栅极驱动，而不是传统的恒压栅极驱动，这使其在提供相同的开关网络转换时间条件下，能够节省串联栅极电阻的成本，且驱动电路更小，还有助于防止自导通。加之NCD83591采用了小尺寸的封装，使其具有更高的功率密度且更易于使用，成为了AMR高能效电机控制的理想选择。

新一代数据通信

AMR更加自主性和智能化的操作，使得可靠的数据通信变得至关重要。具体到AMR的内部架构，在环境感知、电机控制、安全和电池管理等子系统之间，需要确定性的数据通信为其实时、精确的运动提供保障。

传统的工业控制中，控制器局域网（CAN）因其优秀的抗噪性且适用于时间敏感信息的传输，一直是优选总线协议。然而，对于需要传输大量传感器数据、支持传感器融合的AMR来讲，CAN有限的带宽限制了其在这种数据密集型任务中的使用。

为了突破这一瓶颈，基于以太网、具有更大数据吞吐能力的互连解决方案应运而生。特别是近年来备受关注的10BASE-T1S以太网通信协议，由于其可利用单条双绞线实现多点连接，允许多个设备共享公共总线，且具有更高的带宽和更少的布线复杂性，特别适用于AMR这类空间紧凑的轻量级设备平台。

紧随这一新兴的数据通信标准的发展，onsemi推出了NCN26000以太网10BASE-T1S收发器，其符合IEEE 802.3cg规范，可通过单对非屏蔽双绞线传输和接收数据，支持10Mbps的数据传输速率（半双工）。

NCN26000支持大于25m的传输距离，多至8个节点的连接，通过本地配置可在共享介质上实现无冲突操作，避免物理层冲突（PLCA）。增强型的抗噪模式，使其能够以超过IEEE 802.3 cg规范要求的噪声水平进行通信。该收发器使用标准MII管理接口（MDIO）进行配置和监控，设备启动时启动序列中使用专用引脚上的拉动电阻器进行局部配置。

不难看出，有了NCN26000收发器等创新产品的加持，新一代10BASE-T1S以太网标准在AMR上的部署和应用也会大大加速，从而以更简单的布线支持更高速和可靠的数据通信，实现更先进的感知和控制。

本文小结

AMR自主移动机器人的发展，让人们看到机器人走出工厂车间，真正融入到我们生活、与用户进行互动和协作的无限可能性。而在AMR的背后，关键的赋能技术作为重要的推手，正在为其发展提供更大的加速度。

从创新的传感技术，到高能效设计，以及新一代数据通信，onsemi正在为AMR的发展打造强力的技术引擎。