Autonome mobile Roboter
Designüberlegungen und Lösungen für AMR
Autonome mobile Roboter (AMR) tun in immer mehr Branchen und Anwendungen ihren Dienst. Doch welchen Anforderungen müssen Komponenten für AMR entsprechen? Und was ist bei deren Design und Auslegung zu beachten?
In immer mehr Branchen kommen immer mehr AMR zum Einsatz, etwa in Fertigung, Logistik und Lagerhaltung, in der Landwirtschaft, im Einzelhandel, im Gastgewerbe und in anderen Bereichen. Sie bieten Vorteile wie höhere Effizienz und Produktivität sowie sicherere Arbeitsumgebungen. In diesem Beitrag werden Anwendungen von AMR und die Anforderungen an die verschiedenen Komponenten für AMR erörtert, darunter Motoren und Steuerungen, Sensoren, Beleuchtung und Kommunikationsschnittstellen. Zudem werden entsprechende Lösungen von onsemi vorgestellt, mit denen sich diese Anforderungen erfüllen lassen.
Anwendungen und Vorteile von AMR
In Fabriken werden AMR für den Transport von Waren eingesetzt und unterstützen Qualitätskontrollen. Sie können beim Be- und Entladen von Waren in der Logistik und Lagerhaltung behilflich sein. Landwirte profitieren von ihnen durch eine präzisere Ernteüberwachung und Bodenanalyse, was zu höheren Erträgen führt. Der Einzelhandel sowie das Hotel- und Gaststättengewerbe profitieren von einem besseren Service, wenn AMR bei der Auslieferung von Bestellungen und zur Führung von Gästen durch Räumlichkeiten zum Einsatz kommen. Das Personal hat somit mehr Zeit für den Kundenkontakt. Die Anwendungen und Bereiche, in denen AMR eingesetzt werden, wachsen mit der Weiterentwicklung der ihnen zugrunde liegenden Technik immer weiter.
Motoren und Motorsteuerungen in AMR
Motorbetriebene Aktuatoren sind in AMR entscheidend, weil sie die Bewegung von Armen, Hebebühnen und Rädern ermöglichen. Die Auswahl eines Aktuators umfasst das Bewerten von Komponenten wie bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), Motorsteuerungen, MOSFETs, Universal Controller Boards (UCB) und Gate-Treibern. BLDC-Motoren sind hocheffizient sowie geräusch- und wartungsarm (was sie zuverlässig macht). Daher sind sie in AMR sehr beliebt. Wegen ihres hohen Drehmoment-Gewichts-Verhältnisses können Motorsteuerungen die Geschwindigkeit und Richtung des Motors mit einem präzisen Bewegungsprofil steuern. Sie können vollständig integriert sein (mit einem Embedded-Steueralgorithmus) oder einen speziellen Mikrocontroller nutzen, um den Steueralgorithmus zu implementieren. 3-Phasen-BLDC-Motoren, wie sie in AMR üblich sind, werden von drei High-Side- und drei Low-Side-Leistungstransistoren angesteuert, die so über die Wicklungen des Motors geschaltet sind, dass sie dessen Spulen erregen und Magnetfelder erzeugen, die letztlich den Rotor drehen.
Kommutierungsalgorithmen erzeugen Pulsweitenmodulationssignale (PWM), die an diese Schalter angelegt werden, um sie ein- und auszuschalten. Einige Beispiele für Kommutierungsschemata sind sinusförmige, trapezförmige und feldorientierte Regelung. Die in AMR verwendeten Motorsteuerungsschalter beruhen normalerweise auf Silizium, weil die in AMR verwendeten BLDCs meist mit 48 V und weniger angesteuert werden. Für eine schnelle AMR-Entwicklung bietet onsemi mehrere BLDC-Motorsteuerungslösungen, darunter den ARM-Cortex-basierten BLDC-Motorcontroller ECS640A »ecoSpin« mit integriertem 3-Phasen-Gate-Treiber, integrierten Präzisions-Stromerfassungsverstärkern (4x) und integrierten Bootstrap-Dioden. onsemi bietet auch den 3-Phasen-BLDC-Gate-Treiber NCD83591 für 5 bis 60 V als kostengünstige Lösung an.
Die Leistungsmodule von onsemi sind auch mit dem Xilinx Zynq Universal Control Board (UCB) kompatibel, das auf dem Xilinx-SoC Zynq-7000 für BLDC fußt. Das UCB eignet sich für Anwendungen, die eine präzise Steuerung erfordern, und lässt sich auch zur Einbindung von KI verwenden. Für Hochleistungs-Motoranwendungen in AMR bietet onsemi eine Reihe von Mittelspannungs-MOSFETs an. Die neuesten T10-Si-MOSFETs von onsemi beruhen auf der Shielded-Gate-Trench-Technologie mit geringerem Durchlasswiderstand (RDSon), niedrigerer Gate-Ladung und einer eigenen Snubber-ähnlichen Funktion, um Überschwingen und Ringing zu minimieren. Die T10-MOSFETs für 40 V und 80 V bieten einen branchenführenden RDSon von 0,42 bzw. 1,5 mΩ. Hinzu kommen eine geringere Gate-Ladung und optimale Soft-Recovery für reduzierte Spannungsspitzen.
Sensoren für AMR
AMR müssen ihre Umgebung überwachen und mit ihr interagieren. Dies erfordert verschiedene Arten von Sensoren, um relevante Daten zu sammeln. Zu den häufig eingesetzten Sensoren zählen Temperatur-, Bild-, LiDAR-Sensoren (für 3D-Mapping) sowie Rotations- und VLC-Sensoren (Visual Light Communication). Bildsensoren und Bildsignalprozessoren ermöglichen die visuelle Wahrnehmung, so dass ein AMR in seiner Umgebung navigieren kann, indem er Objekte erfasst und erkennt und dann die entsprechenden Maßnahmen ergreift. onsemi bietet Global-Shutter- und Rolling-Shutter-Bildsensoren, die sich für diese Anwendung eignen.
Der Bildsensor AR0234CS fußt beispielsweise auf einem Global-Shutter-Pixeldesign, das für die präzise Erfassung sich schnell bewegender Szenen (120 Bilder/s) in voller Auflösung optimiert ist und scharfe Bilder für die maschinelle Bildverarbeitung oder das Scannen von Barcodes liefert. Positionssensoren messen die Drehung der Räder oder anderer beweglicher Teile eines Roboters, so dass er seine Position und Ausrichtung genau verfolgen kann. Ultraschall- und Infrarotsensoren messen die Distanz zu entfernten Objekten und ermöglichen es dem AMR, Hindernisse zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden. Der NCS32100 von onsemi ist ein industrieller Drehpositionssensor, der Genauigkeit und Drehzahl kombiniert. Er verfügt über einen 38-mm-Sensor und liefert eine Genauigkeit von ±50 Bogensekunden bei 6000 U/min. Für Anwendungen mit geringerer Genauigkeit unterstützt er Drehzahlen bis 100.000 U/min. Dieser neue Sensor beruht auf einem patentierten Ansatz zur induktiven Positionserfassung, der sich für Industrie- und Robotik-Anwendungen eignet.
Stromversorgung für AMR
Stromversorgung und Leistungsverteilung sind entscheidende Aspekte, die sich auf die Batterielebensdauer und Betriebsfähigkeit eines AMR auswirken. Bei der Auswahl des Stromversorgungssystems eines AMR sind Leistungsmerkmale und Parameter wie Energiedichte, Spannungs- und Stromanforderungen, Effizienz und Größe der Lösung zu berücksichtigen. Die hohe Energiedichte und lange Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien machen sie zu einer gängigen Wahl für AMR. Power-Management-Module regeln den Stromfluss von der Batterie zu anderen Komponenten, während Power-Trees, bestehend aus Schaltwandlern und Spannungsreglern, als Leistungsverteiler dafür sorgen, dass die richtigen Spannungs- und Stromwerte bereitstehen.
Der Synchron-PWM-Abwärts-/Buck-Regler FAN65008B beispielsweise erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von 98 Prozent, indem er eine Eingangsspannung von 48 V auf eine Ausgangsspannung von 28 V herunterregelt und gleichzeitig eine konstante Gleichstromlast von 10 A bereitstellt. Der Power Factor Controller (PFC) NCP1632, der LLC-Controller NCP1399 und der Synchronous Rectifier Controller (SRC) NCP4307 arbeiten zusammen, um den Wirkungsgrad bei der AC/DC-Wandlung in Stromversorgungen bis zu 1 kW zu optimieren.
Die EliteSiC-Siliziumkarbid-MOSFETs von onsemi eignen sich für die AC/DC- und DC/DC-Leistungswandlung in Hochleistungsanwendungen (meist >3 kW). Um die Batterie eines AMR aufzuladen, muss ein Haushalts- oder Industrie-Wechselstromnetz in einen brauchbaren Mittelspannungs-DC-Ausgang umgewandelt werden. Das AC/DC-Frontend und die Primärseite des DC/DC-Wandlers profitieren beide von EliteSiC-FETs. Auf der Sekundärseite des DC/DC-Wandlers können schaltoptimierte Trench-MOSFETs von onsemi zum Einsatz kommen.
Beleuchtung
Die Bedeutung von Beleuchtungstechnik wie Leuchtdioden (LEDs) liegt darin, dass sie es AMR ermöglichen, in verschiedenen Umgebungen zu navigieren, zu kommunizieren und zu arbeiten. Die Beleuchtung dient auch zur Signalisierung und zur Anzeige des Status oder der Richtung eines AMR. Bei der Auswahl der Beleuchtungstechnik für einen AMR sind Leistungsmerkmale und Parameter wie Helligkeit, Farbtemperatur und Stromverbrauch zu berücksichtigen. LED-Controller und -Treiber sind wichtige Komponenten, die den Stromfluss in den LEDs überwachen, damit diese Licht mit einer bestimmten Intensität und Wellenlänge aussenden können.
LED-Treiber verwenden High-Side- und Low-Side-Leistungs-MOSFETs, um den LED-Strom ein- und auszuschalten und vor Überspannung und Überstrom zu schützen. Sie stellen auch die Stabilität der LED-Treiberschaltung sicher. Der lineare LED-Stromtreiber NCV7685 und der NCL31000 von onsemi sind intelligente LED-Treiber, die sich für AMR-Beleuchtung eignen. Der NCV7685 verfügt über zwölf lineare, programmierbare Konstantstromquellen mit einer gemeinsamen Referenz, die 128 verschiedene, per PWM einstellbare Tastgrade ermöglichen. Der NCL31000 verfügt über einen hocheffizienten Buck-LED-Treiber, der Analog- und PWM-Dimmen mit hoher Bandbreite (bis hin zu Nullstrom) unterstützt, zwei DC/DC-Hilfswandler sowie Diagnosefunktionen zur Überwachung von Ein-/Ausgangsstrom und -spannung, LED-Temperatur und DC/DC-Spannungen.
Der NCL31000 unterstützt Visible Light Communication (VLC), die sichtbares Licht als Träger für die unidirektionale Datenübertragung mit bis zu 10 KBit/s nutzt. VLC ermöglicht es einem AMR, sicher mit anderen Geräten und Menschen zu kommunizieren. Weil das Spektrum des sichtbaren Lichts zwischen 430 und 790 THz liegt, hat VLC keinen Einfluss auf benachbarte Funktechniken wie Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee, UWB und Wi-Fi. VLC ist sicher, weil es von Natur aus auf die Sichtlinie beschränkt ist. AMR, die in Lagerhäusern navigieren, profitieren von UWB, BLE (AoA, Angle of Arrival / AoD, Angle of Departure) und Wi-Fi-IPS (Innenraum-Positionierungssystem). Manchmal können jedoch Funküberlastungen oder Störungen das IPS beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, lässt sich VLC als Ergänzung zu bestehenden Funk-IPS einsetzen, indem VLC in das Raster der Deckenleuchten eingebaut wird, wobei jede Deckenleuchte eine eindeutige ID-Nummer überträgt. Wenn ein AMR eine Grundrissdatenbank enthält, die jede Leuchtenposition und eindeutige ID abdeckt, kann er sich mit einer einfachen Fotodiode, die auf die Decke ausgerichtet ist, selbst navigieren.
Kommunikation
Funkkommunikation ist für AMR von entscheidender Bedeutung, denn sie ermöglicht die Interaktion mit anderen Geräten und Systemen durch die Übertragung von Daten und den Empfang von Befehlen. Bei der Wahl von Kommunikationstechnik für ein AMR sind Betriebsreichweite, Datenrate, Sicherheit und Stromverbrauch zu berücksichtigen. Der Betriebsbereich muss mit einer angemessenen Datenrate mit anderen Geräten und Systemen in seiner Umgebung kommunizieren. Der Stromverbrauch muss ausreichend niedrig sein, um die Batterielebensdauer so lange wie möglich zu erhalten, während die Sicherheit entscheidend ist, um AMR-Daten und -Befehle vor Zugriff oder Kompromittierung zu schützen.
Bluetooth Low Energy (BLE) ist eine Funkkommunikationstechnik, die für einen geringen Stromverbrauch ausgelegt ist und sich daher für batteriebetriebene Geräte eignet. Sie unterstützt eine Reihe von Datenübertragungsraten für Sensordaten und Steuersignale zwischen einem AMR und anderen Geräten. Der RSL15 von onsemi ist ein Bluetooth-5.2-zertifizierter Transceiver für einfach zu implementierende BLE-Anwendungen. Er unterstützt die entscheidenden Funktionen AoA und AoD, um genaue IPS zu ermöglichen. Das hochintegrierte Funksystem auf dem Chip (SoC) optimiert die Systemgröße und die Batterielebensdauer. Es verfügt über einen ARM-Cortex-M33-Prozessor und einen 2,4-GHz-Transceiver, der Bluetooth LE 5.2 und benutzerdefinierte 2,4-GHz-Protokolle unterstützt.
Einzelne AMR benötigen außerdem eine interne kabelgebundene digitale Kommunikation für die Echtzeitsteuerung zwischen dem zentralen Bordcomputer und den einzelnen Motorsteuerungen, Beleuchtungssteuerungen und Sensoren. CAN (2 Mbit/s) oder CAN-FD (5 Mbit/s) sind seit Jahren die typischen Protokolle der Wahl. Beide Protokolle kommunizieren über UTP-Kabel (ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitungen), und einzelne Knoten lassen sich in einem Daisy-Chain- und Multi-Drop-Aufbau konfigurieren, was Kabelgewicht und -kosten spart. Die Ethernet Alliance hat kürzlich 10BASE-T1S (10 Mbit/s) eingeführt, ein auf EtherNet-IP beruhendes digitales Kommunikationsprotokoll, das ebenfalls in der Lage ist, über eine Daisy-Chain-Multi-Drop-Struktur mit mindestens acht Knoten über mindestens 25 m UTP oder Single Pair Ethernet (SPE) zu kommunizieren. Der Hauptvorteil von 10BASE-T1S gegenüber CAN und CAN-FD sind schnellere Datenraten und eine vollständig IP-basierte Ethernet-Kommunikationsprotokolldomäne vom Zentralrechner bis zum Edge-Knoten, was KI und Machine Learning vereinfacht.
Der 10BASE-T1S Industrial Ethernet Transceiver NCN26010 von onsemi ermöglicht Multi-Drop-Ethernet-Kommunikation für industrielle Anwendungen über bestehende Twisted-Pair-Verkabelung. Der Baustein ist IEEE-802.3cg-konform und umfasst einen Media Access Controller (MAC), einen PLCA Reconciliation Sublayer (RS) und einen 10BASE-T1S-PHY, der für industrielles Multi-Drop-Ethernet entwickelt ist. Er bietet alle PHY-Funktionen zum Senden und Empfangen von Daten über eine einzige ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitung und kommuniziert mit einer Host-MCU über das MAC-PHY-SPI-Protokoll der Open Alliance.
Es zeigt sich: Komplexe Systeme wie AMR erfordern die Integration verschiedener Techniken, um autonom, zuverlässig und sicher zu funktionieren. Ihr Erfolg hängt von der richtigen Auswahl der jeweils besten Technologieoptionen in der Entwicklungsphase ab.
Die Autoren:
Hunter Freberg, Technical Marketing Engineer, und Bob Card, Marketing Manager ASG, beide bei onsemi
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