自主机器人的分布式传感器

一代又一代，科幻类小说总以各种方式让机器人融入社会，比如从让我们的生活变得更轻松、更美好的“帮手型”善良仆人，到试图消灭我们的残酷、没有灵魂的霸主。不论哪种情况，故事一开始都是机器人取代人类完成重复性的危险而又粗重的任务，而随着AI的兴起，它们甚至能超越训练有素的人类。
     

从小型扫地机器人到送货机器人和无人机，机器人的使用已是司空见惯。尤其是当机器人变得自主、亲近甚至有自我意识时，社会也接纳机器人融入我们的生活。

几十年来，汽车制造厂、化工厂和工厂中的苦力机器人已经取代了许多人力，成本效益凸显，生产效率和精度得以提高，因为制造业和工业应用一直是机器人进步的驱动力。

虽然机器人的采购、编程以及投入使用的初始投资仍然很高，但它们对制造公司也助益颇多。

随着人们对制造业回归本国的愿望越来越强烈，竞争压力意味着只有机器人才能以低成本保持高生产率。它们可以一天二十四小时不间断地工作。它们不需要休假或放假。它们也不请病假（但确实偶尔也会崩溃）。

关键是使用机器人的制造企业不用支付社保、失业保险、工伤赔偿、医疗保险、退休金等各种费用。

随着只在固定工位工作以及执行固定功能的机器人被可移动、能自主的多功能学习型机器所取代，能力、安全性和成本敏感性也变得更加重要。机器人设计师现在面临着构建机器人和机器人工作环境的选择。

五公斤的机器人装有十公斤的芯片

传感器是所有机器人设计的关键所在。它们为机器提供有关外部世界的信息。虽然老一代固定工位的机器人不需要导航、感知障碍物、知道它们在哪里并寻找替代路线，但新一代机器人却需要。因此，必须实现、监控、解释和使用多种类型的传感器并设定其优先级来确定行动。当今设计师面临的问题是如何分配传感器，同时保持合理的尺寸和重量。所有传感器都安装在机器人内部吗？ 或者机器人是否从设施、无线控制器或云端获取传感数据和指令？

机器人的功能越多，尺寸越大。机器人越重，需要的电池电量也越大。这就限制了运行时间、速度和性能，而且，机器人充电或更换电池时需停止使用，因此还会提高成本。

空间总是有限的，重量是个大麻烦。因此，机器人所处环境越智能，需要嵌入机器人的元件越少。更小、更快、更长的运行时间、更低的成本。双赢对吧？ 不过，仅目前如此。

即使在智能环境中，每个机器人也必须嵌入智能元件和传感器。容错意味着在发生通信故障时安全性不受影响。因此，可使用诸如换能器、摄像头、温度和电池电压传感器等轻型板载传感器。即使是目前的2D Lidar激光雷达技术也可以集成到低成本、高效率的机器人中。

应优先考虑用于感知接近或电源问题等的故障安全传感器。例如，机器人可能不知道它被障碍物卡在某个位置，但驱动电机上的电流传感器可快速检测到故障并立即切断电机驱动器的电源。中心设施计算机或云控制器无法迅速做出反应以防止可能发生的火灾。

在工厂或工业环境中，无线通信可能是一项挑战。制造车间是一个充满电子噪声的环境。如果发生错误和重试，机器人可能无法及时获得保持安全所需的信号。这也可能意味着无线链路传输更高的功率以获得可靠的通信。

 

开放的世界，封闭的楼层；分布式通信选项

可以解决其中许多问题的一种独特方法是使用封闭的分布式网络对传感器进行阵列部署，以及使用来自机器人的反向通道信息。使用分散在制造车间周围的通信节点可以创建一个闭环反馈机制，其中设施控制器可以对机器人采取的每一步操作进行高级验证。

传感器和通信节点可放置在具体的战略规划位置。5G、Wi-Fi或蓝牙信号在10英尺处比在50英尺处更可靠。因此，能够立即以低成本实现可靠的主要和/或备用通信方案。即使是成本最低的窄带AM或FM数据链路也可以与高级通信同时运行。例如，移动机器人经过固定工位机器人时可以收集其安全数据并传递出去。

经过这些数字检查点的机器人可报告电池电量、内部温度、振动水平、压力和可承载负载应变，以及其中央处理器、视觉系统的运行状况和整体状态。射频识别（RFID）技术甚至可用于在机器人经过单个文件检查点时对其进行验证。正如你所见，即使在这种方法中具有高度的自主性，机器人也变得像制造车间的外围设备。

 

分布式串行架构：拓扑和优势

串行通信非常适合围绕局部或广大地区进行分布式通信。系统与设施设计人员和管理人员对于可以轻松实现的串行网络的技术和类型有多种选择和选项。

以太网是一种可以使用的串行网络技术。它可以在单根电缆中使用Cat5和/或Cat 6类型的多双绞线进行接线。每个点对点以太网连接需要八根电线，这会增加成本并降低可靠性。以太网确实能提供快速通信和几百英尺的覆盖能力，并且可以用作区域中串行网络的集线器。但它依然无法抑制噪声或静电放电（ESD），因此对于机器位置而言，它并不是一个好的选择。此外，以太网上的每个节点都需要更多的处理器资源和带宽。不过，可以使用成本较低的通用异步接收器/发送器（UART）帧异步数据包帧串行数据链路。

基于UART的串行链接可能最直接、最可靠。即使在最高电磁干扰（EMI）噪声和最恶劣的ESD环境中，无线串行链路依然稳定可靠。还有各种驱动器和接收器，即便移动数百甚至数千英尺，仍能将数据速率保持在一定范围内。

在架构上，分布式串行传感器阵列可以通过中心位置、分布式或远程访问来控制和监控。这些都不相互排斥。例如，中央计算机始终可以总揽大局，而备用系统则负责监控，并在主系统出现故障时启动。

串行网络还自带点对点灵活性。最简单、最可靠的架构就是点对点直连（图1A）。这是最快、最直接的链路。硬件和/或软件握手可以确保可靠的数据传输。

可以配置一串菊花链设备，其中单个数据链路与许多分布式传感器或执行器通信（图1B）。数据经过每个节点并通过充当传递缓冲区的线路接收器和驱动器路由回起始点。例如，每个节点都可以单独寻址，也可以同时访问所有节点，例如“紧急关机”命令。

如果将设备配置在一个回路中，就可以不使用传递驱动器，所有数据返回到起始点。对于串行或环路架构网络，数据速率通常设置为单一波特率。如果使用多端口串行控制台控制器，也可采用树形配置（图1C）。如果来自主机的数据速率快到能为所有较低电平供电，则允许在串行域中建立多个传感器或传感器区域。如果没有，那么以太网连接可用作顶级控制台服务器。如果传感器区域是用局部区域定义的，这可能是一种有用的架构。

图1：（A）点对点直连

（B）链接设备的回路或菊花链、（C）树形配置

（图源：贸泽电子）

除了远程分配传感器和执行器外，分布式节点还可包括用于安全控制的专用射频链路或RFID扫描仪，以便工厂内的机器人经过特定关键位置时读取和写入数据。任何时候都可在几乎不增加额外成本的情况下设计安全冗余，利用该安全冗余是明智的。

 

串行链路层协议的类型

 

RS-232

RS-232是我们大多数人都熟悉的老牌产品。这种单端物理层方案使用不归零（NRZ）信令协议，将逻辑0表示为正电压，逻辑1表示为负电压。信号线永远不依赖地线。因此，RS-232相对稳健，可以很好地抑制噪声和脉冲毛刺。由于未连接的电线不显示电压，因此故障检测更容易。

 

S-232

S-232可以覆盖几百英尺，而RS-422可以覆盖几千英尺。RS-422对每个信号使用一对差分线。这使其可以不受嘈杂工厂环境中可能存在的共模噪声的影响。它需要两倍的电线数量，并且不像过去用于大多数计算机外围设备和调制解调器的RS-232那样常见。

 

RS-485

RS-485是一种差分介质，但也是一种共享介质。所有RS-485设备都连接到相同的物理线对。这意味着RS-485设备只能在半双工模式下运行，而RS-232和RS-422可以在全双工模式下运行。所有RS-485设备通常具有相同的通信特性，例如波特率、奇偶校验和停止位。

 

如果实施得当，RS-485还可以覆盖数千英尺，并且通常用于工厂和工业环境中。任何情况下，半导体制造商都为所有这些环境提供具有成本效益、设计精良、具有竞争力的线路驱动器和接收器，并内置ESD和噪声防护。

请注意，UART帧异步数据包格式（如RS-232、RS-422和RS-485）也用于汽车领域的控制器局域网（CAN）和OBDII控制和传感器总线。

传统但比较流行的Midi接口也采用基于UART的数据包协议。工具和开发固件很好地理解并支持这些信令技术。它们是工业环境中分布式传感器和执行器的理想选择，尤其是在可以使用多端口服务器的情况下。

 

媒体服务器解决方案

多端口控制台提供可通过IP访问的多个单独串行端口，例如以太网和TCP/IP接入点。采用8或16端口RS-232配置，这些端口可用作RS-485或RS-422，并带有适当的接口。

两个10/100/1000以太网端口可支持单个串行端口高达921.6Kbits/sec数据速率的总带宽，并允许连接到本地计算机资源以及远程和分布式全球计算机和基于云的服务。

标准的1U机架安装配置可轻松集成到几乎任何设施中。此外，每个串口保护方案都内置有15KV ESD保护。这些控制台服务器充当理想接口，连接TCP/IP网络与PLC、CNC机器、磅秤、扫描仪和几乎任何类型基于传感器的系统。许多可以由原始设备制造商（OEM）提供的易于使用的传感器系统支持这些串行标准，并且控制台服务器允许单独连接到这些传感器。请注意，每个设备都可以有自己的波特率、奇偶校验和停止位配置，从而简化设置和使用，并最大化带宽，因为最慢的设备并不会限制更快的设备。

通过Windows实用程序、Web浏览器、Telenet和各种控制台进行控制，使操作员和程序员可以轻松设置、操作和监控。SNMP MIB-II等网络管理工具还允许使用标准工具集进行操作和监控。后部安装的接线使系统保持清洁和可维修，以便于扩展或更新。使用内置以太网连接可以实现各种拓扑，以创建简单、低成本、有效的分布式传感器阵列。

 

工厂和分布式机器人传感器示例：

例如，我们可以将中央计算机系统视为主机，它通过以太网交换机连接到串行控制台服务器。这样可以为每个区域提供高速带宽，其中的控制台控制器充当各传感器的互连设施。

图2中，示例拓扑使用冗余控制链路，通过高速以太网交换机路由到局部区域。每个局部区域都可以利用串行控制台服务器建立直连链路，与机器人将经过的每个传感器、射频链路或执行器相连。

即使主控制器出现故障，也可以建立远程或冗余链路作为备份、看门狗或故障保护措施。这可以是本地冗余控制器，也可以是远程或基于云的监控系统。

图2：示例拓扑

（图源：贸泽电子）

结语

在机器人环境中结合嵌入式和分布式传感器可能是实施工厂或工业环境最安全且最可靠的方式，可以将自动化提升到新的水平。可以设置多个区域，并监控冗余安全机制，以确保所有系统正常运行。

串行端口仍然是分配传感器和执行器最具成本效益的方式。

几乎每个微控制器都支持基于UART的通信，并且OEM传感器和设计的传感器可以轻松集成到这类网络中。这也使机器人能够简化并降低复杂性，因为它们的许多职责可以转移到更智能的设施上。