【導讀】談及“自主移動(dòng)機器人（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)應用中工作的相對較大的機器人系統。過(guò)去，鮮有人會(huì )想到盡職盡責跟隨主人全球奔波的、由人工智能/機器學(xué)習（AI/ML）驅動(dòng)的拉桿箱。更鮮有人會(huì )料想到這項技術(shù)能夠在今天實(shí)現商用。家用AI/ML系統和機器人技術(shù)的曙光已經(jīng)出現。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(guò)TSA認證，并在緊湊空間內安裝所有必要的電子系統，既不會(huì )顯著(zhù)增加重量，同時(shí)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(lèi)AMR系統（特別是行李箱）的發(fā)展趨勢，并討論小型消費類(lèi)AMR系統走向大規模市場(chǎng)所涉及的各種硬件和軟件問(wèn)題以及設計挑戰。
面向21世紀旅客的AMR行李箱
對于大多數人而言，長(cháng)途旅行最大的拖累莫過(guò)于拖著(zhù)行李箱輾轉于各大機場(chǎng)、火車(chē)站和公共汽車(chē)站。然而，令人不解的是，過(guò)去十幾年間，行李箱的設計卻鮮有創(chuàng )新。盡管行李箱在過(guò)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(wú)幾。幸運的是，這一切最近都發(fā)生了變化?，F有的市售AMR行李箱系統被設計為僅使用板載系統跟蹤并跟隨其主人。
這是典型智能行李箱的重大進(jìn)步，這些行李箱內置可為智能手機充電的電池、GPS定位、開(kāi)箱檢測功能，甚至還有可供用戶(hù)騎座的設計。借助新型AMR行李箱系統，AI/ML技術(shù)用于在整個(gè)繚亂喧囂的旅途中為用戶(hù)導航，從家出發(fā)，經(jīng)過(guò)中轉站，并最終到達目的地。這類(lèi)導航需要復雜的視覺(jué)系統、接近檢測系統、智能手機接口以及移動(dòng)機器人電子設備。
小型消費類(lèi)AMR系統設計面臨的挑戰
與工業(yè)AMR系統不同，消費類(lèi)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(shí)亦如此。此外，工業(yè)機器人設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(lèi)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)機器人高效、可靠且響應迅速的普遍需求外，小型/個(gè)人AMR行李箱系統還必須考慮繁忙交通樞紐和用戶(hù)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(jìn)行跟蹤、跟隨和導航。
AMR AI/ML視覺(jué)系統和接近傳感器
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)接近系統來(lái)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(wú)需過(guò)多指引就能跟隨用戶(hù)左右。
相較于常規2D攝像頭圖像，傳感器融合是機器人系統更深入了解環(huán)境的常用方法。機器人視覺(jué)系統過(guò)去相當龐大且昂貴，但現在隨著(zhù)視覺(jué)系統不斷減小，接近傳感器的封裝也變得更加緊湊，更容易用于機器視覺(jué)。
為了讓AMR行李箱保持現代行李箱的纖巧美感，接近傳感器和視覺(jué)系統必須足夠緊湊，以適應流線(xiàn)型的輪廓而不顯得突兀。這給視覺(jué)和接近系統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(jué)和接近系統。為減輕AMR電子設備的重量以方便手動(dòng)操作，這種實(shí)現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(jiàn)940nm紅外（IR）光的飛行時(shí)間傳感器可能是此類(lèi)應用的理想選擇。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(jìn)行飛行時(shí)間感測的傳感器，如下圖1就是一款非常適合用于A(yíng)MR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：貿澤電子）
AMR的移動(dòng)系統
移動(dòng)系統是小型AMR的一個(gè)主要設計點(diǎn)。小型AMR系統的響應能力、效率和可靠性在很大程度上取決于設計質(zhì)量以及AMR移動(dòng)系統所選擇的設備/組件。典型的AMR移動(dòng)系統包括電機、電機驅動(dòng)器、電機控制系統以及儲能裝置（通常為電池）。高效電機控制微控制器單元（MCU）可能是此類(lèi)緊湊型低功耗應用的理想選擇。其他電機控制解決方案即使可以實(shí)現更高的性能，但能效或許較低且占用空間更大，例如現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）解決方案。
小型消費類(lèi)AMR行李箱可能會(huì )使用小型無(wú)刷直流（BLDC）電機，通常為三相，以實(shí)現該應用所需的響應能力和效率。不過(guò)BLDC電機需要專(zhuān)門(mén)的電機控制器和驅動(dòng)技術(shù)，要同時(shí)驅動(dòng)三個(gè)獨立的相位，并具有傳感器輸入能力和足夠的功率來(lái)承擔BLDC電機控制算法的計算負載。
過(guò)去，像這樣的電機控制系統需要對每個(gè)功能進(jìn)行完整的定制設計，并需要必要的資源來(lái)迭代設計功能解決方案。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(kāi)發(fā)時(shí)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(gè)封裝中提供高級電機控制功能和處理。圖2就采用STSPIN32G4系統級封裝（SiP）與STL110N10F7功率MOSFET。
圖2：STMicroelectronics EVSPIN32G4演示板
（圖源：貿澤電子）
AMR的無(wú)線(xiàn)通信
即便是小型消費類(lèi)AMR行李箱，用戶(hù)也需要能夠通過(guò)普通方式輕松獲取和控制。此外，無(wú)線(xiàn)（OTA）升級讓現代電子產(chǎn)品大受裨益，尤其是AMR行李箱之類(lèi)的新穎實(shí)驗性產(chǎn)品。這意味著(zhù)AMR行李箱系統還需要整合各種無(wú)線(xiàn)標準以兼容用戶(hù)的智能手機，還可連接到其他IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)協(xié)議以進(jìn)行測試、診斷或集成其他智能家居功能。
鑒于A(yíng)MR行李箱的空間和功率限制，單獨的無(wú)線(xiàn)芯片會(huì )顯著(zhù)增加電路板面積，尤其是在考慮需要保持設計的電磁兼容（EMC）合規性時(shí)。因此，內置無(wú)線(xiàn)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(zhù)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，更快地開(kāi)發(fā)具有無(wú)線(xiàn)功能的AMR行李箱（圖3）。
下圖所示的多協(xié)議無(wú)線(xiàn)微控制器片上系統（SoC）對物聯(lián)網(wǎng)設備的設計和開(kāi)發(fā)大有裨益，同時(shí)還能延長(cháng)應用的電池壽命。
圖3：多協(xié)議無(wú)線(xiàn)微控制器片上系統（SoC）
（圖源：貿澤電子）
結語(yǔ)
盡管飛行汽車(chē)仍在開(kāi)發(fā)當中，但自動(dòng)跟隨用戶(hù)、包攬長(cháng)途旅行中一些苦差事的機器人行李箱今天已經(jīng)問(wèn)世。未來(lái)將出現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(dòng)機器人系統，同時(shí)確保安全性和使用方便性。
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