【導讀】談及“自主移動機器人（AMR）”時，許多人想到的是在訂單履行中心、倉庫或各種工業應用中工作的相對較大的機器人系統。過去，鮮有人會想到盡職盡責跟隨主人全球奔波的、由人工智能/機器學習（AI/ML）驅動的拉桿箱。更鮮有人會料想到這項技術能夠在今天實現商用。家用AI/ML系統和機器人技術的曙光已經出現。為了進一步推動這場革命，工程師必須克服一些硬件和軟件障礙，才能通過TSA認證，并在緊湊空間內安裝所有必要的電子系統，既不會顯著增加重量，同時還保持成本競爭力。
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本文將向讀者介紹小型消費類AMR系統（特別是行李箱）的發展趨勢，并討論小型消費類AMR系統走向大規模市場所涉及的各種硬件和軟件問題以及設計挑戰。
面向21世紀旅客的AMR行李箱
對于大多數人而言，長途旅行最大的拖累莫過于拖著行李箱輾轉于各大機場、火車站和公共汽車站。然而，令人不解的是，過去十幾年間，行李箱的設計卻鮮有創新。盡管行李箱在過去的20年間經歷了徹底的審美革新，但真正的技術進步卻寥寥無幾。幸運的是，這一切最近都發生了變化?，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步，這些行李箱內置可為智能手機充電的電池、GPS定位、開箱檢測功能，甚至還有可供用戶騎座的設計。借助新型AMR行李箱系統，AI/ML技術用于在整個繚亂喧囂的旅途中為用戶導航，從家出發，經過中轉站，并最終到達目的地。這類導航需要復雜的視覺系統、接近檢測系統、智能手機接口以及移動機器人電子設備。
小型消費類AMR系統設計面臨的挑戰
與工業AMR系統不同，消費類AMR行李箱相對較小，必須保持重量輕且易于使用，即便在不使用時亦如此。此外，工業機器人設計為在本身比較危險的工業環境中保持安全，而消費類AMR則必須在控制較少的環境中工作。因此，除了考慮移動機器人高效、可靠且響應迅速的普遍需求外，小型/個人AMR行李箱系統還必須考慮繁忙交通樞紐和用戶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境中進行跟蹤、跟隨和導航。
AMR AI/ML視覺系統和接近傳感器
雖然2D攝像頭圖像可以提供背景環境，但仍然需要一個接近系統來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行李箱而言至關重要，因為人們希望這種行李箱無需過多指引就能跟隨用戶左右。
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境的常用方法。機器人視覺系統過去相當龐大且昂貴，但現在隨著視覺系統不斷減小，接近傳感器的封裝也變得更加緊湊，更容易用于機器視覺。
為了讓AMR行李箱保持現代行李箱的纖巧美感，接近傳感器和視覺系統必須足夠緊湊，以適應流線型的輪廓而不顯得突兀。這給視覺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，因此可在單個緊湊型PCB上使用綜合視覺和接近系統。為減輕AMR電子設備的重量以方便手動操作，這種實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940nm紅外（IR）光的飛行時間傳感器可能是此類應用的理想選擇。透鏡在IR頻率下為光學透明，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射激光（VCSEL）IR技術進行飛行時間感測的傳感器，如下圖1就是一款非常適合用于AMR行李箱的VCSEL飛行時間紅外接近傳感器。
圖1：511-VL53L5CXV0GC/1的功能圖
（圖源：貿澤電子）
AMR的移動系統
移動系統是小型AMR的一個主要設計點。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量以及AMR移動系統所選擇的設備/組件。典型的AMR移動系統包括電機、電機驅動器、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現更高的性能，但能效或許較低且占用空間更大，例如現場可編程門陣列（FPGA）解決方案。
小型消費類AMR行李箱可能會使用小型無刷直流（BLDC）電機，通常為三相，以實現該應用所需的響應能力和效率。不過BLDC電機需要專門的電機控制器和驅動技術，要同時驅動三個獨立的相位，并具有傳感器輸入能力和足夠的功率來承擔BLDC電機控制算法的計算負載。
過去，像這樣的電機控制系統需要對每個功能進行完整的定制設計，并需要必要的資源來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發時間、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的無線通信
即便是小型消費類AMR行李箱，用戶也需要能夠通過普通方式輕松獲取和控制。此外，無線（OTA）升級讓現代電子產品大受裨益，尤其是AMR行李箱之類的新穎實驗性產品。這意味著AMR行李箱系統還需要整合各種無線標準以兼容用戶的智能手機，還可連接到其他IEEE 802.15.4無線協議以進行測試、診斷或集成其他智能家居功能。
鑒于AMR行李箱的空間和功率限制，單獨的無線芯片會顯著增加電路板面積，尤其是在考慮需要保持設計的電磁兼容（EMC）合規性時。因此，內置無線功能，例如低功耗藍牙5（BLE5）和IEEE 802.15.4?通信協議的微控制器，可以顯著簡化開發過程，更快地開發具有無線功能的AMR行李箱（圖3）。
下圖所示的多協議無線微控制器片上系統（SoC）對物聯網設備的設計和開發大有裨益，同時還能延長應用的電池壽命。
圖3：多協議無線微控制器片上系統（SoC）
（圖源：貿澤電子）
結語
盡管飛行汽車仍在開發當中，但自動跟隨用戶、包攬長途旅行中一些苦差事的機器人行李箱今天已經問世。未來將出現更多的機器人行李箱創意，所有這些創意都必須能夠在高度緊湊的封裝中安裝自主移動機器人系統，同時確保安全性和使用方便性。
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