自主移動機器人(AMR)是一種複雜的系統，與自動駕駛汽車有許多共同之處，都需要感測、電機驅動、電源轉換、照明和電池管理。最大的挑戰是將這些子系統，整合到一個終端產品中。由於需要整合來自不同供應商的不同子系統，導致產品設計的挑戰變得更加困難。本文將探討AMR的複雜世界，並考慮選擇由一家解決方案提供商來負責AMR所有關鍵方面的設計，其優勢包括降低設計/整合風險和縮短上市時間。
自動導引車(AGV)主要在室內移動，並按照預先確定的路線行駛，通常使用地面上的線條作為引導。AMR則比AGV複雜得多，能夠在室內和室外自由導航，而不必遵循預定的路線。在這方面，AMR類似於自動駕駛車輛，因為它們必須識別並避開路徑上的障礙物，無論障礙物是靜止的還是移動的。
幾乎所有AMR的核心都是五個主要子系統，分別管理電源、運動、感測、處理和照明(圖1)功能。每個子系統都很複雜，設計起來往往具有挑戰性，同時也是AMR成功運行的基礎。然而，整合往往是最大的挑戰，尤其是從不同供應商採購子系統或主要零組件時。
要使AMR正常運行，子系統之間的資訊流和功率流至關重要，這意謂著要有一個通用的接口，和經過測試可協同工作的零組件，以消除相容性問題。簡單來說，從單一解決方案供應商採購關鍵系統元件有助於降低開發風險，縮短上市時間，並在競爭激烈的市場中保持領先地位。
建立AMR系統整合
感測對於在自由空間中導航的AMR至關重要，尤其是在沒有軌道或其他導航輔助設備可用的情況下。AMR必須能夠找到安全的路線，並處理路徑上的靜態和移動障礙物。為了克服天氣或照明條件的限制，並適應不同的距離，會使用包括影像感測器、超音波和光學雷達(LiDAR)在內的多種技術。來自多個感測器的數據會被整合，以便AMR更好地瞭解周圍環境。這種技術被稱為感測器融合，為AMR提供了更好的可靠性、備援性和安全性。
除影像感測器之外，用於測距(LiDAR)的矽光電倍增器(SiPM)、超音波感測器、電感式感測器以及支持到達角(AoA)和出發角(AoD)的Bluetooth低功耗(BLE)技術微控制器，都有助於AMR定位。運動控制在AMR中非常重要，通常使用無刷直流(BLDC)電機，需要複雜的演算法進行精確控制。無刷直流電機驅動需要許多元件來正確控制。產品如NCD83591三相栅極驅動器透過開啟和關閉功率開關來控制換相，非常適合用於電機控制子系統(圖2)。
MOSFET用作開關為電機繞組供電。中壓(MV) MOSFET產品組合，包括最新的PowerTrench T10 MOSFET，是電機應用的理想之選。 MOSFET還可用於AMR內的一般功率應用。與矽MOSFET相比，碳化矽(SiC) MOSFET具有更高的熱導率和十倍的擊穿電場強度。這使得碳化矽元件能夠在相同材料厚度下承受更高的電壓。當AMR(例如自動叉車)體積變得越來越大時，電池電壓也會隨之升高，而基於SiC的系統則可提供更好的性能和更高的效率。
SiC MOSFET的另一個優勢是能夠在更高溫度下工作，進而簡化了散熱器設計。更高的工作頻率可減小磁性元件的尺寸(和成本)，進而縮小子系統的尺寸，有助於擴大AMR的工作範圍。電力輸送不僅對電機控制至關重要，系統還需要一個外部充電器，該充電器需要盡可能快且高效地為電池充電。AMR中的DC-DC電源樹使用開關模式電源(SMPS)，和線性穩壓器(LDO)來供應邏輯和低壓電平。效率固然重要，但在整個電源架構中部署適當的保護措施也同樣重要。
通訊系統對AMR也至關重要，包括AMR本身內部的通訊，以及與配套設施的外部通訊，還可能包括與其他AMR的通訊。為AMR選擇通訊技術時，需要考慮的參數包括其工作範圍、數據傳輸速率、功耗和安全性。在內部通訊方面，AMR長期以來使用了許多協議，包括CAN、LIN、RS-485和RS232。乙太網路10BASE-T1S集簡便性和高性能於一身，因此越來越受歡迎。它提供透過單根非屏蔽雙絞線收發數據所需的所有物理層功能，與主控MCU的通訊透過OPEN聯盟MAC-PHY串行外設接口(SPI)協議進行。
照明子系統則用於向周圍的人員，和其他AMR傳達AMR的狀態、狀況和意圖。選擇AMR照明技術時需要考慮的性能特性，和參數包括亮度、色溫和功耗。LED控制器和驅動器監控流經LED的電流，並使LED發出特定強度和波長的光。LED驅動電路使用高壓側和低壓側功率MOSFET來導通和關斷LED電流，同時防止過壓和過流情況，並確保LED驅動電路的穩定性。
克服系統整合挑戰
AMR是一種高效、可靠的運送包裹和執行其他物流任務的方式，因此越來越受歡迎。 然而，完全自主行駛需要高度的複雜性和安全性，這一點的設計挑戰與汽車並無二致。最大的設計挑戰不在於AMR中的各種子系統，而在於這些子系統的整合。特別是如果這些子系統來自不同的供應商，其相容性很可能是一個挑戰。
AMR產品選擇單一解決方案供應商可能是一個有風險的決定，但也能得益於一套全面的產品解決方案。除了一站式的解決方案，供應商對產品開發的支援程度也很重要。若是解決方案供應商具備在需要的時間和地點提供產品的能力，可大幅加快產品開發的速度。供應商完善的支援生態系統，包括支援人員、工具、文件、線上論壇等，並以垂直整合的彈性製造能力，也能成為AMR開發團隊的後盾。
(本文作者為安森美系統工程經理)
