解读安森美智能移动机器人解决方案

与传统工业机器人不同，智能机器人运用多种传感器、人工智能及先进算法，能够与环境互动、检测障碍物，并与人类及其他机器协同工作。部署自主机器人有助于提升生产力与效率：它们可承担重复性或耗时任务，让人类工人得以专注于增值活动。轻负载场景下，系统可采用 12 V电池供电;较高电压(如 48 V)则能降低工作电流，从而减小导线尺寸并节约成本。目前，智能机器人主要应用于仓库、生产工厂等受控环境，但其户外作业的应用趋势正不断扩大。

框图

顶层拓扑

下面的框图展示了安森美 (onsemi)打造的智能移动机器人方案。 机器人系统由多个相互连接的子模块构成， 主要包括电池管理、 运动控制、 感测和中央处理器 (CPU) 等子模块。 这些子模块方案与具体的应用场景紧密相关：例如，仅在内部作业的机器人所需的传感器数量较少;而搭载机械臂的机器人则需要配备更多电机逆变器。

方案概述

连接(取代 CAN)

AMR 中的 CPU 和所有构建块需要相互通信。 通信手段有许多种。传统上， 使用的是 CAN、 LIN、 RS-485、 RS232和许多其他方式。 所有这些都可以用 10Base-T1S 取代。

它是 IEEE 在 802.3cg 第 147 条规范中指定的以太网协议。 借助 10BASE-T1S， 仅使用一根双绞线便可将多个PHY 连接到公共总线。 这减少了所需的交换机端口数量，并且无需网关。 由于 10BASE-T1S 只需要一根非屏蔽双绞线， 因此布线成本也大大降低。

此外， 10BASE-T1S 的通信速度可达 10Mbps， 高于迄今为止的许多方案(例如， LIN 最高为 20Kbps， CAN 最高为约 1Mbps) 。

任何节点都可以向/从任何其他节点发送/接收以太网帧， 类似于传统的以太网 LAN。

在多分支拓扑中运行时， 物理层冲突避免 (PLCA) 特性可以避免数据包冲突。 节点会根据各自的ID 轮流(一次一个) 在总线上进行传输。 PLCA 周期不是固定的， 取决于待处理的数据。

图 1：多分支与点对点网络拓扑

以太网控制器 NCN26010

10Mb/s 工业以太网 MAC+PHY IC 控制器

符合 10BASE-T1S – IEEE 802.3cg 标准

集成 MAC 和 10BASE-T1S PHY

PLCA 突发模式 – 如果某个节点需要发送比所有其他节点都多的数据， 则允许该节点在每次 PLCA 传输机会中发送更多帧

支持 8 个以上节点， UTP 线缆传输距离超过 25m

增强抗噪声能力

全局唯一 MAC 地址

32 引脚 QFN 封装

图 2： 10BASE-T1S MACPHY 评估套件

电感式位置检测

位置传感器会测量轮子或其他运动部件的旋转， 以准确跟踪它们在环境中的位置和方向。 这些传感器可用作 BLDC 控制电子换向的一部分。 电感式编码器相比传统的光学或磁检测有许多优势。

电感式检测稳健、 轻便、 只需很少的元件， 并且对振动或污染不敏感。

电感式检测 NCS32100

非接触式传感器方案， 由两片 PCB 组成：一个带有两个印刷电感器(无焊接元件) 的转子， 以及一个带有印刷电感器和编码器 IC 的定子。

传统光学编码器方案可能需要 100 多个元件才能正常工作， 与之相比， 安森美 NCS32100 仅需 12 个元件即可实现最小功能系统。

计算位置和速度

绝对编码器 - 无需移动即可确定位置

6,000 RPM 全精度(最大 45,000 RPM)

对于 38mm 传感器，精度为 +/- 50 角秒(0.0138度)或更高

可以区分并抑制旋转运动产生的振动

20 位单圈分辨率输出， 24 位多圈

集成 CortexM0+ MCU – 高度可配置

为广泛的光学编码器提供成本更低的替代方案

自校准 - 只需一个命令

图 3： NCS32100 传感器方案

NCS32100 设计工具

安森美提供了大量设计工具，助力电感检测系统的设计，包括：自校准程序、固件及 PCB 参考设计文件/电气连接与固件的参考指南等。

图 4： NCS32100 测量精度