自主机器人遇见消费者行李箱

工程师如何应对消费者自主机器人系统挑战

当人们听到“自主移动机器人 (AMR)”时，许多人会想象相对较大的机器人系统在订单履行中心、仓库或各种工业应用中运行。很少有人会想到人工智能/机器学习 (AI/ML) 驱动的滚动手提箱会尽职尽责地跟随主人前往全球各地旅行。更少人会想到这项技术今天可以在商业上获得。家用 AI/ML 系统和机器人技术的曙光就在这里。为了进一步推动这场革命，工程师必须克服几个硬件和软件障碍才能获得 TSA 批准，并将所有必要的电子系统安装在一个紧凑的空间内，该空间不会显着增加重量，同时保持成本竞争力。

在这里，我们讨论了小型消费类 AMR 系统的趋势——特别是行李和各种硬件和软件问题——以及与将小型消费类 AMR 系统推向大众相关的设计挑战。

适合 21 世纪旅行者的 AMR 行李箱

拖着行李穿过机场、火车站和汽车站通常是大多数人与长途旅行相关的最大阻力之一。因此，令人惊讶的是，在过去的几十年里，行李箱设计几乎没有什么创新。虽然箱包在过去 20 年里经历了一场美学大修，但在真正的技术进步方面做得并不多。幸运的是，最近这一切都发生了变化。AMR 行李系统旨在仅使用机载系统跟踪和跟随其所有者，现已上市。

这是对典型智能行李箱的重大改进，其中包括具有内置电池的行李箱系统，用于为智能手机充电、GPS、打开检测，有些甚至可以骑在上面。借助最新的 AMR 行李箱系统，AI/ML 技术被用于在令人眼花缭乱的杂乱环境中导航，从家中经过中转站，到达用户的目的地。这种类型的导航需要复杂的视觉系统、接近检测系统、智能手机接口和移动机器人电子设备。

小型消费类 AMR 系统设计面临的挑战

与工业 AMR 系统不同，消费类 AMR 行李箱相对较小，即使在不运行时也必须保持重量轻且易于使用。此外，工业机器人被设计成在本质上危险的工业环境中是安全的，而消费类 AMR 必须在不受控制的环境中工作。因此，随着对移动机器人高效、可靠和响应的普遍需求，小型/个人 AMR 行李系统还必须解决繁忙的交通终端和分心的用户带来的混乱。这需要相对复杂的 AI/ML，能够跟踪、跟随和导航可能不可避免发生意外碰撞的混乱环境。

小型消费类 AMR AI/ML 视觉系统和接近传感器

虽然 2D 相机图像可以提供上下文，但仍然需要接近系统来确定与物理对象的距离和深度。因此，传感器融合对于小型 AMR 行李箱至关重要，这些行李箱有望在没有过多指导的情况下与用户一起拉动。

传感器融合是机器人系统获得比常规 2D 相机图像所显示的更深入的环境洞察力的常用方法。过去，机器人视觉系统体积庞大且价格昂贵，但随着视觉系统逐渐缩小，接近传感器封装变得更加紧凑，更易于用于机器视觉。

为了让 AMR 行李箱保持现代行李箱的苗条美感，接近传感器和视觉系统必须足够紧凑，以适应光滑的外形，而又不会过于明显。这给视觉和接近系统带来了额外的空间限制，并且需要更高级别的集成，可能需要在单个紧凑型 PCB 上使用集体视觉和接近系统。这种超紧凑的方法对于减轻与手动使用的 AMR 电子设备相关的重量也可能是必要的。

因此，在小型封装中使用不可见的 940nm 红外 (IR) 光的飞行时间传感器可能是此类应用的理想选择。IR 传感器可以在 IR 频率下由光学透明透镜保护，但在可见光频率下相对不透明。此外，目标颜色和反射率不变量包括采用垂直腔面发射激光器 (VCSEL) IR 技术进行飞行时间传感的传感器（图 1）。

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图 1：VCSEL 飞行时间红外接近传感器 511-VL53L5CXV0GC/1 的功能图，非常适合用于 AMR 行李箱应用。（来源：贸泽电子）

小型消费者 AMR 移动

小型消费类 AMR 行李箱可能会使用通常为三相的小型无刷直流 (BLDC) 电机，以实现此应用所需的响应速度和效率。然而，BLDC 电机需要专门的电机控制器和驱动器技术，可以同时驱动三个独立的相位，具有传感器输入能力和足够的功率来处理 BLDC 电机控制数学的计算负载。

过去，像这样的电机控制系统需要对每个功能进行完整的定制设计，以及迭代设计功能解决方案所需的资源。现在，带有嵌入式 MCU 的 BLDC 电机控制器提供了一个高度集成的解决方案，与以前集成度较低的方法相比，它可以更紧凑，甚至可能更高效（图 2）。这些高度集成的解决方案有助于缩短开发时间、减少 PCB 面积并最大限度地降低整体物料清单 (BOM) 的复杂性。

图 2：高度集成的电机控制器/MCU，例如STMicroelectronics STSPIN32G4，可以在单个封装中提供高级电机控制功能和处理。上图是带有 STSPIN32G4 系统级封装 (SiP) 和 STL110N10F7 功率 MOSFET 的 STMicroelectronics EVSPIN32G4 演示板。（来源：贸泽电子）

小型消费类 AMR 无线通信

小型消费者 AMR 行李箱也需要由用户通过普通方式轻松配置和控制。此外，现代电子产品可以从无线 (OTA) 升级中获益，尤其是 AMR 行李箱等新产品和实验产品。这意味着 AMR 行李箱系统还需要结合各种无线标准以与用户的智能手机兼容，并可能连接到其他 IEEE 802.15.4 无线协议以进行测试、诊断或其他智能家居功能集成。

考虑到 AMR 行李箱的空间和功率限制，单独的无线芯片可以显着增加电路板面积，特别是考虑到需要保持设计的电磁兼容性 (EMC) 合规性时。因此，具有内置无线功能的微控制器，例如Bluetooth® Low Energy 5 (BLE5) 和 IEEE 802.15.4 ™通信协议，可以显着简化开发过程，并能够更快地开发具有无线功能的 AMR 行李箱（图 3).

图 3：多协议无线微控制器片上系统 (SoC) 可以极大地有利于物联网设备的设计和开发，同时延长应用程序的电池寿命。（来源：贸泽电子）
尽管飞行汽车仍在发展，但自动跟随用户并消除长途旅行的一些苦差事的机器人行李今天已经出现。未来将会出现更多创新的机器人行李箱创意，所有这些创意都必须在高度紧凑的包装中安装自主移动机器人系统，同时确保安全性和用户友好性 

审核编辑 黄昊宇