自主機器人的分布式傳感器

一代又一代，科幻類(lèi)小說(shuō)總以各種方式讓機器人融入社會(huì )，比如從讓我們的生活變得更輕松、更美好的“幫手型”善良仆人，到試圖消滅我們的殘酷、沒(méi)有靈魂的霸主。不論哪種情況，故事一開(kāi)始都是機器人取代人類(lèi)完成重復性的危險而又粗重的任務(wù)，而隨著(zhù)AI的興起，它們甚至能超越訓練有素的人類(lèi)。

從小型掃地機器人到送貨機器人和無(wú)人機，機器人的使用已是司空見(jiàn)慣。尤其是當機器人變得自主、親近甚至有自我意識時(shí)，社會(huì )也接納機器人融入我們的生活。

幾十年來(lái)，汽車(chē)制造廠(chǎng)、化工廠(chǎng)和工廠(chǎng)中的苦力機器人已經(jīng)取代了許多人力，成本效益凸顯，生產(chǎn)效率和精度得以提高，因為制造業(yè)和工業(yè)應用一直是機器人進(jìn)步的驅動(dòng)力。

雖然機器人的采購、編程以及投入使用的初始投資仍然很高，但它們對制造公司也助益頗多。

隨著(zhù)人們對制造業(yè)回歸本國的愿望越來(lái)越強烈，競爭壓力意味著(zhù)只有機器人才能以低成本保持高生產(chǎn)率。它們可以一天二十四小時(shí)不間斷地工作。它們不需要休假或放假。它們也不請病假（但確實(shí)偶爾也會(huì )崩潰）。

關(guān)鍵是使用機器人的制造企業(yè)不用支付社保、失業(yè)保險、工傷賠償、醫療保險、退休金等各種費用。

隨著(zhù)只在固定工位工作以及執行固定功能的機器人被可移動(dòng)、能自主的多功能學(xué)習型機器所取代，能力、安全性和成本敏感性也變得更加重要。機器人設計師現在面臨著(zhù)構建機器人和機器人工作環(huán)境的選擇。

五公斤的機器人裝有十公斤的芯片

傳感器是所有機器人設計的關(guān)鍵所在。它們?yōu)闄C器提供有關(guān)外部世界的信息。雖然老一代固定工位的機器人不需要導航、感知障礙物、知道它們在哪里并尋找替代路線(xiàn)，但新一代機器人卻需要。因此，必須實(shí)現、監控、解釋和使用多種類(lèi)型的傳感器并設定其優(yōu)先級來(lái)確定行動(dòng)。當今設計師面臨的問(wèn)題是如何分配傳感器，同時(shí)保持合理的尺寸和重量。所有傳感器都安裝在機器人內部嗎？ 或者機器人是否從設施、無(wú)線(xiàn)控制器或云端獲取傳感數據和指令？

機器人的功能越多，尺寸越大。機器人越重，需要的電池電量也越大。這就限制了運行時(shí)間、速度和性能，而且，機器人充電或更換電池時(shí)需停止使用，因此還會(huì )提高成本。

空間總是有限的，重量是個(gè)大麻煩。因此，機器人所處環(huán)境越智能，需要嵌入機器人的元件越少。更小、更快、更長(cháng)的運行時(shí)間、更低的成本。雙贏(yíng)對吧？ 不過(guò)，僅目前如此。

即使在智能環(huán)境中，每個(gè)機器人也必須嵌入智能元件和傳感器。容錯意味著(zhù)在發(fā)生通信故障時(shí)安全性不受影響。因此，可使用諸如換能器、攝像頭、溫度和電池電壓傳感器等輕型板載傳感器。即使是目前的2D Lidar激光雷達技術(shù)也可以集成到低成本、高效率的機器人中。

應優(yōu)先考慮用于感知接近或電源問(wèn)題等的故障安全傳感器。例如，機器人可能不知道它被障礙物卡在某個(gè)位置，但驅動(dòng)電機上的電流傳感器可快速檢測到故障并立即切斷電機驅動(dòng)器的電源。中心設施計算機或云控制器無(wú)法迅速做出反應以防止可能發(fā)生的火災。

在工廠(chǎng)或工業(yè)環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)通信可能是一項挑戰。制造車(chē)間是一個(gè)充滿(mǎn)電子噪聲的環(huán)境。如果發(fā)生錯誤和重試，機器人可能無(wú)法及時(shí)獲得保持安全所需的信號。這也可能意味著(zhù)無(wú)線(xiàn)鏈路傳輸更高的功率以獲得可靠的通信。

開(kāi)放的世界，封閉的樓層；分布式通信選項

可以解決其中許多問(wèn)題的一種獨特方法是使用封閉的分布式網(wǎng)絡(luò )對傳感器進(jìn)行陣列部署，以及使用來(lái)自機器人的反向通道信息。使用分散在制造車(chē)間周?chē)耐ㄐ殴濣c(diǎn)可以創(chuàng )建一個(gè)閉環(huán)反饋機制，其中設施控制器可以對機器人采取的每一步操作進(jìn)行高級驗證。

傳感器和通信節點(diǎn)可放置在具體的戰略規劃位置。5G、Wi-Fi?或藍牙信號在10英尺處比在50英尺處更可靠。因此，能夠立即以低成本實(shí)現可靠的主要和/或備用通信方案。即使是成本最低的窄帶AM或FM數據鏈路也可以與高級通信同時(shí)運行。例如，移動(dòng)機器人經(jīng)過(guò)固定工位機器人時(shí)可以收集其安全數據并傳遞出去。

經(jīng)過(guò)這些數字檢查點(diǎn)的機器人可報告電池電量、內部溫度、振動(dòng)水平、壓力和可承載負載應變，以及其中央處理器、視覺(jué)系統的運行狀況和整體狀態(tài)。射頻識別（RFID）技術(shù)甚至可用于在機器人經(jīng)過(guò)單個(gè)文件檢查點(diǎn)時(shí)對其進(jìn)行驗證。正如你所見(jiàn)，即使在這種方法中具有高度的自主性，機器人也變得像制造車(chē)間的外圍設備。

分布式串行架構：拓撲和優(yōu)勢

串行通信非常適合圍繞局部或廣大地區進(jìn)行分布式通信。系統與設施設計人員和管理人員對于可以輕松實(shí)現的串行網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)和類(lèi)型有多種選擇和選項。

以太網(wǎng)是一種可以使用的串行網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。它可以在單根電纜中使用Cat5和/或Cat 6類(lèi)型的多雙絞線(xiàn)進(jìn)行接線(xiàn)。每個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)連接需要八根電線(xiàn)，這會(huì )增加成本并降低可靠性。以太網(wǎng)確實(shí)能提供快速通信和幾百英尺的覆蓋能力，并且可以用作區域中串行網(wǎng)絡(luò )的集線(xiàn)器。但它依然無(wú)法抑制噪聲或靜電放電（ESD），因此對于機器位置而言，它并不是一個(gè)好的選擇。此外，以太網(wǎng)上的每個(gè)節點(diǎn)都需要更多的處理器資源和帶寬。不過(guò)，可以使用成本較低的通用異步接收器/發(fā)送器（UART）幀異步數據包幀串行數據鏈路。

基于UART的串行鏈接可能最直接、最可靠。即使在最高電磁干擾（EMI）噪聲和最?lèi)毫拥腅SD環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)串行鏈路依然穩定可靠。還有各種驅動(dòng)器和接收器，即便移動(dòng)數百甚至數千英尺，仍能將數據速率保持在一定范圍內。

在架構上，分布式串行傳感器陣列可以通過(guò)中心位置、分布式或遠程訪(fǎng)問(wèn)來(lái)控制和監控。這些都不相互排斥。例如，中央計算機始終可以總攬大局，而備用系統則負責監控，并在主系統出現故障時(shí)啟動(dòng)。

串行網(wǎng)絡(luò )還自帶點(diǎn)對點(diǎn)靈活性。最簡(jiǎn)單、最可靠的架構就是點(diǎn)對點(diǎn)直連（圖1A）。這是最快、最直接的鏈路。硬件和/或軟件握手可以確?？煽康臄祿鬏?。

可以配置一串菊花鏈設備，其中單個(gè)數據鏈路與許多分布式傳感器或執行器通信（圖1B）。數據經(jīng)過(guò)每個(gè)節點(diǎn)并通過(guò)充當傳遞緩沖區的線(xiàn)路接收器和驅動(dòng)器路由回起始點(diǎn)。例如，每個(gè)節點(diǎn)都可以單獨尋址，也可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)所有節點(diǎn)，例如“緊急關(guān)機”命令。

如果將設備配置在一個(gè)回路中，就可以不使用傳遞驅動(dòng)器，所有數據返回到起始點(diǎn)。對于串行或環(huán)路架構網(wǎng)絡(luò )，數據速率通常設置為單一波特率。如果使用多端口串行控制臺控制器，也可采用樹(shù)形配置（圖1C）。如果來(lái)自主機的數據速率快到能為所有較低電平供電，則允許在串行域中建立多個(gè)傳感器或傳感器區域。如果沒(méi)有，那么以太網(wǎng)連接可用作頂級控制臺服務(wù)器。如果傳感器區域是用局部區域定義的，這可能是一種有用的架構。

圖1：（A）點(diǎn)對點(diǎn)直連

（B）鏈接設備的回路或菊花鏈、（C）樹(shù)形配置

（圖源：貿澤電子）

除了遠程分配傳感器和執行器外，分布式節點(diǎn)還可包括用于安全控制的專(zhuān)用射頻鏈路或RFID掃描儀，以便工廠(chǎng)內的機器人經(jīng)過(guò)特定關(guān)鍵位置時(shí)讀取和寫(xiě)入數據。任何時(shí)候都可在幾乎不增加額外成本的情況下設計安全冗余，利用該安全冗余是明智的。

串行鏈路層協(xié)議的類(lèi)型

RS-232

RS-232是我們大多數人都熟悉的老牌產(chǎn)品。這種單端物理層方案使用不歸零（NRZ）信令協(xié)議，將邏輯0表示為正電壓，邏輯1表示為負電壓。信號線(xiàn)永遠不依賴(lài)地線(xiàn)。因此，RS-232相對穩健，可以很好地抑制噪聲和脈沖毛刺。由于未連接的電線(xiàn)不顯示電壓，因此故障檢測更容易。

S-232

S-232可以覆蓋幾百英尺，而RS-422可以覆蓋幾千英尺。RS-422對每個(gè)信號使用一對差分線(xiàn)。這使其可以不受嘈雜工廠(chǎng)環(huán)境中可能存在的共模噪聲的影響。它需要兩倍的電線(xiàn)數量，并且不像過(guò)去用于大多數計算機外圍設備和調制解調器的RS-232那樣常見(jiàn)。

RS-485

RS-485是一種差分介質(zhì)，但也是一種共享介質(zhì)。所有RS-485設備都連接到相同的物理線(xiàn)對。這意味著(zhù)RS-485設備只能在半雙工模式下運行，而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運行。所有RS-485設備通常具有相同的通信特性，例如波特率、奇偶校驗和停止位。

如果實(shí)施得當，RS-485還可以覆蓋數千英尺，并且通常用于工廠(chǎng)和工業(yè)環(huán)境中。任何情況下，半導體制造商都為所有這些環(huán)境提供具有成本效益、設計精良、具有競爭力的線(xiàn)路驅動(dòng)器和接收器，并內置ESD和噪聲防護。

請注意，UART幀異步數據包格式（如RS-232、RS-422和RS-485）也用于汽車(chē)領(lǐng)域的控制器局域網(wǎng)（CAN）和OBDII控制和傳感器總線(xiàn)。

傳統但比較流行的Midi接口也采用基于UART的數據包協(xié)議。工具和開(kāi)發(fā)固件很好地理解并支持這些信令技術(shù)。它們是工業(yè)環(huán)境中分布式傳感器和執行器的理想選擇，尤其是在可以使用多端口服務(wù)器的情況下。

媒體服務(wù)器解決方案

多端口控制臺提供可通過(guò)IP訪(fǎng)問(wèn)的多個(gè)單獨串行端口，例如以太網(wǎng)和TCP/IP接入點(diǎn)。采用8或16端口RS-232配置，這些端口可用作RS-485或RS-422，并帶有適當的接口。

兩個(gè)10/100/1000以太網(wǎng)端口可支持單個(gè)串行端口高達921.6Kbits/sec數據速率的總帶寬，并允許連接到本地計算機資源以及遠程和分布式全球計算機和基于云的服務(wù)。

標準的1U機架安裝配置可輕松集成到幾乎任何設施中。此外，每個(gè)串口保護方案都內置有15KV ESD保護。這些控制臺服務(wù)器充當理想接口，連接TCP/IP網(wǎng)絡(luò )與PLC、CNC機器、磅秤、掃描儀和幾乎任何類(lèi)型基于傳感器的系統。許多可以由原始設備制造商（OEM）提供的易于使用的傳感器系統支持這些串行標準，并且控制臺服務(wù)器允許單獨連接到這些傳感器。請注意，每個(gè)設備都可以有自己的波特率、奇偶校驗和停止位配置，從而簡(jiǎn)化設置和使用，并最大化帶寬，因為最慢的設備并不會(huì )限制更快的設備。

通過(guò)Windows實(shí)用程序、Web瀏覽器、Telenet和各種控制臺進(jìn)行控制，使操作員和程序員可以輕松設置、操作和監控。SNMP MIB-II等網(wǎng)絡(luò )管理工具還允許使用標準工具集進(jìn)行操作和監控。后部安裝的接線(xiàn)使系統保持清潔和可維修，以便于擴展或更新。使用內置以太網(wǎng)連接可以實(shí)現各種拓撲，以創(chuàng )建簡(jiǎn)單、低成本、有效的分布式傳感器陣列。

工廠(chǎng)和分布式機器人傳感器示例：

例如，我們可以將中央計算機系統視為主機，它通過(guò)以太網(wǎng)交換機連接到串行控制臺服務(wù)器。這樣可以為每個(gè)區域提供高速帶寬，其中的控制臺控制器充當各傳感器的互連設施。

圖2中，示例拓撲使用冗余控制鏈路，通過(guò)高速以太網(wǎng)交換機路由到局部區域。每個(gè)局部區域都可以利用串行控制臺服務(wù)器建立直連鏈路，與機器人將經(jīng)過(guò)的每個(gè)傳感器、射頻鏈路或執行器相連。

即使主控制器出現故障，也可以建立遠程或冗余鏈路作為備份、看門(mén)狗或故障保護措施。這可以是本地冗余控制器，也可以是遠程或基于云的監控系統。

圖2：示例拓撲

（圖源：貿澤電子）

結語(yǔ)

在機器人環(huán)境中結合嵌入式和分布式傳感器可能是實(shí)施工廠(chǎng)或工業(yè)環(huán)境最安全且最可靠的方式，可以將自動(dòng)化提升到新的水平?？梢栽O置多個(gè)區域，并監控冗余安全機制，以確保所有系統正常運行。

串行端口仍然是分配傳感器和執行器最具成本效益的方式。

幾乎每個(gè)微控制器都支持基于UART的通信，并且OEM傳感器和設計的傳感器可以輕松集成到這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中。這也使機器人能夠簡(jiǎn)化并降低復雜性，因為它們的許多職責可以轉移到更智能的設施上。