安森美的照明、传感器和通信方案如何应用于自主移动机器人
【导读】照明、传感器和通信技术是实现自主移动机器人 (AMR) 的关键支持技术，用于确保机器人能够看见、感知现实世界并与现实世界交互。本文介绍了设计子组件的基本注意事项，并介绍了安森美 (onsemi)提供的适用于各应用的方案。
图 1：自主移动机器人概念
感知环境
AMR 需要能够监测环境并与环境进行交互，这就要用到不同类型的传感器，包括温度传感器、图像传感器、LiDAR（用于 3D 映射）、旋转位置和可见光通信 (VLC) 传感器。
图像传感器和图像信号处理器赋予 AMR 视觉感知功能，使其能够穿行于所在环境，检测和识别物体。对于该应用，安森美提供了全局快门和卷帘快门图像传感器方案。AR0234CS 图像传感器采用创新的全局快门像素设计，优化了每秒 120 帧、全分辨率下捕捉移动场景的精度和速度。该传感器在低光照和明亮的场景中都能生成清晰的低噪声图像。
图 2：安森美面向 AMR 的感知方案
位置传感器测量 AMR 轮子和其他活动部件的旋转情况，使其能够准确跟踪三维位置和方向。安森美 NCS32100 是一款工业用旋转位置传感器，兼具高精度与高速度优势。它采用 38mm 传感器，可在 6,000 RPM 时提供 +/-50 角秒的精度。对于低精度应用，它支持高达 100,000 RPM 的转速。这款全新器件采用专利方法来实现电感位置感知，非常适用于工业和机器人应用。
超声波和红外传感器可以测量与远程物体之间的距离，使 AMR 能够检测障碍物并避免碰撞。
智能照明技术
发光二极管 (LED) 等照明技术使 AMR 能够穿行于条件恶劣的环境，并能够在这样的环境中开展通信和工作。LED 也可以用于发送信号以及指示机器人的状态或方向。选择 AMR 照明技术时需要考虑的性能特征和参数包括亮度、色温和功耗。LED 控制器和驱动器组件负责监控 LED 内的电流，并使其发出特定强度和波长的光线。LED 驱动电路使用高边和低边功率 MOSFET 开关 LED 电流，并保护它们免受过压和过流条件的影响，确保 LED 驱动电路的稳定性。安森美 NCV7685 LED 线性电流驱动器和 NCL31000 智能 LED 驱动器非常适合 AMR 照明应用。NVC7685 具有 12 个线性可编程恒流源，使用相同的基准电压，支持 128 个不同的可调 PWM 占空比级别。NCL31000 含一个支持高带宽模拟和 PWM 调光（降至零电流）的高效 3 安培降压 LED 驱动器、两个辅助 DC-DC 转换器和监测输入/输出电流及电压、LED 温度、 DC-DC 电压的诊断功能。
图 3：安森美面向 AMR 的照明方案
NCL31000 支持 VLC，使用可见光作为载体单向传输数据，速率高达 10kb/s。VLC 让 AMR 可以与其他设备和人类进行安全通信。由于可见光光谱范围为 430 THz 至 790 THz，因此 VLC 不会影响附近的无线技术，如蓝牙? 低功耗（蓝牙 LE）、Zigbee、超宽带 (UWB) 和 Wi-Fi。VLC 非常安全，因为它本身受制于视线范围。AMR 的仓库导航应用受益于 UWB、蓝牙 LE (AoA/AoD) 和 Wi-Fi 室内定位系统 (IPS)。但是，有时射频 (RF) 拥塞或干扰可能会影响 IPS。为了减轻这种影响，可以使用 VLC 来补充现有的 RF IPS。我们可以将 VLC 安装到天花板灯具网格中，其中的每个天花板灯具都会发射唯一的 ID 号。如果 AMR 内置布局数据库，包含每个灯具的位置和唯一 ID，则 AMR 可以借助朝向天花板的简单光电二极管进行自我导航，如下图 4 所示。
图 4：AMR 借助 VLC 实现室内定位系统 (IPS)
与现实世界的通信
通信技术使 AMR 能够向其他设备和系统传输数据并从中接收命令。为 AMR 选择通信技术时，需要考虑的参数包括工作范围、数据速率、功耗和安全性。工作范围必须足够长，从而便于以可接受的速度与周围环境中的其他设备和系统进行通信。收发器的功耗必须尽可能低，以延长电池寿命，同时安全性也非常重要，以防止 AMR 的数据和命令遭到破坏。
蓝牙 LE 无线通信技术专为低功耗设计，因此非常适合电池供电设备。该协议支持一系列数据传输速率，用于在 AMR 和其他设备之间传输传感器数据和控制信号。蓝牙 LE 也可以用于室内定位系统，从而支持 AMR 穿行于动态环境。安森美 RSL15 是通过蓝牙 5.2 认证的收发器，提供易于实施的蓝牙 LE 无线应用，支持到达角 (AOA) 和出发角 (AOD) 关键功能，以实现正确的室内定位。高度集成的无线系统单芯片 (SoC) 优化了系统尺寸和电池寿命。它采用 ARM Cortex-M33 处理器和 2.4 GHz 收发器，支持蓝牙 LE 5.2 和 2.4 GHz 自定义协议。
图 5：安森美面向 AMR 的通信方案
工业以太网通信协议提供高速通信功能，用于实时控制和协调多个 AMR。安森美NCN26010 10BASE-T1S 工业以太网收发器，可利用现有的双绞线布线实现工业应用的多分支以太网通信。该器件符合 IEEE 802.3cg 标准，包括媒体访问控制器 (MAC)、PLCA 协调子层 (RS) 和专为工业多分支以太网设计的 10BASE-T1S PHY。它可提供通过单一的非屏蔽双绞线传输和接收数据的所有物理层功能，并可通过 Open Alliance 的 MACPHY SPI 协议与主机 MCU 通信。
AMR 组件选择指南
AMR 的宗旨是与现实世界积极互动，安森美支持设计人员选用适合其应用需求的照明、感知和连接方案以实现这一目标。如需深入了解 AMR 领域的电源和电机控制方案，请阅读我们的第一篇博客“安森美的电源和电机控制方案如何应用于自主移动机器人”
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