自主機器人的分布式傳感器

一代又一代，科幻類小說總以各種方式讓機器人融入社會，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、沒有靈魂的霸主。不論哪種情況，故事一開始都是機器人取代人類完成重復性的危險而又粗重的任務，而隨著AI的興起，它們甚至能超越訓練有素的人類。

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

幾十年來，汽車制造廠、化工廠和工廠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步的驅(qū)動力。

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。

隨著人們對制造業(yè)回歸本國的愿望越來越強烈，競爭壓力意味著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（但確實偶爾也會崩潰）。

關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(yī)療保險、退休金等各種費用。

隨著只在固定工位工作以及執(zhí)行固定功能的機器人被可移動、能自主的多功能學習型機器所取代，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(xiàn)在面臨著構(gòu)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鍵所在。它們?yōu)闄C器提供有關外部世界的信息。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，但新一代機器人卻需要。因此，必須實現(xiàn)、監(jiān)控、解釋和使用多種類型的傳感器并設定其優(yōu)先級來確定行動。當今設計師面臨的問題是如何分配傳感器，同時保持合理的尺寸和重量。所有傳感器都安裝在機器人內(nèi)部嗎？或者機器人是否從設施、無線控制器或云端獲取傳感數(shù)據(jù)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。這就限制了運行時間、速度和性能，而且，機器人充電或更換電池時需停止使用，因此還會提高成本。

空間總是有限的，重量是個大麻煩。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、更長的運行時間、更低的成本。雙贏對吧？不過，僅目前如此。

即使在智能環(huán)境中，每個機器人也必須嵌入智能元件和傳感器。容錯意味著在發(fā)生通信故障時安全性不受影響。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位置，但驅(qū)動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(qū)動器的電源。中心設施計算機或云控制器無法迅速做出反應以防止可能發(fā)生的火災。

在工廠或工業(yè)環(huán)境中，無線通信可能是一項挑戰(zhàn)。制造車間是一個充滿電子噪聲的環(huán)境。如果發(fā)生錯誤和重試，機器人可能無法及時獲得保持安全所需的信號。這也可能意味著無線鏈路傳輸更高的功率以獲得可靠的通信。

開放的世界，封閉的樓層；分布式通信選項

可以解決其中許多問題的一種獨特方法是使用封閉的分布式網(wǎng)絡對傳感器進行陣列部署，以及使用來自機器人的反向通道信息。使用分散在制造車間周圍的通信節(jié)點可以創(chuàng)建一個閉環(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行高級驗證。

傳感器和通信節(jié)點可放置在具體的戰(zhàn)略規(guī)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現(xiàn)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(shù)據(jù)鏈路也可以與高級通信同時運行。例如，移動機器人經(jīng)過固定工位機器人時可以收集其安全數(shù)據(jù)并傳遞出去。

經(jīng)過這些數(shù)字檢查點的機器人可報告電池電量、內(nèi)部溫度、振動水平、壓力和可承載負載應變，以及其中央處理器、視覺系統(tǒng)的運行狀況和整體狀態(tài)。射頻識別（RFID）技術甚至可用于在機器人經(jīng)過單個文件檢查點時對其進行驗證。正如你所見，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間的外圍設備。

分布式串行架構(gòu)：拓撲和優(yōu)勢

串行通信非常適合圍繞局部或廣大地區(qū)進行分布式通信。系統(tǒng)與設施設計人員和管理人員對于可以輕松實現(xiàn)的串行網(wǎng)絡的技術和類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)絡技術。它可以在單根電纜中使用Cat5和/或Cat 6類型的多雙絞線進行接線。每個點對點以太網(wǎng)連接需要八根電線，這會增加成本并降低可靠性。以太網(wǎng)確實能提供快速通信和幾百英尺的覆蓋能力，并且可以用作區(qū)域中串行網(wǎng)絡的集線器。但它依然無法抑制噪聲或靜電放電（ESD），因此對于機器位置而言，它并不是一個好的選擇。此外，以太網(wǎng)上的每個節(jié)點都需要更多的處理器資源和帶寬。不過，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(shù)據(jù)包幀串行數(shù)據(jù)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）噪聲和最惡劣的ESD環(huán)境中，無線串行鏈路依然穩(wěn)定可靠。還有各種驅(qū)動器和接收器，即便移動數(shù)百甚至數(shù)千英尺，仍能將數(shù)據(jù)速率保持在一定范圍內(nèi)。

在架構(gòu)上，分布式串行傳感器陣列可以通過中心位置、分布式或遠程訪問來控制和監(jiān)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(tǒng)則負責監(jiān)控，并在主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時啟動。

串行網(wǎng)絡還自帶點對點靈活性。最簡單、最可靠的架構(gòu)就是點對點直連（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?shù)據(jù)傳輸。

可以配置一串菊花鏈設備，其中單個數(shù)據(jù)鏈路與許多分布式傳感器或執(zhí)行器通信（圖1B）。數(shù)據(jù)經(jīng)過每個節(jié)點并通過充當傳遞緩沖區(qū)的線路接收器和驅(qū)動器路由回起始點。例如，每個節(jié)點都可以單獨尋址，也可以同時訪問所有節(jié)點，例如“緊急關機”命令。

如果將設備配置在一個回路中，就可以不使用傳遞驅(qū)動器，所有數(shù)據(jù)返回到起始點。對于串行或環(huán)路架構(gòu)網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)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，也可采用樹形配置（圖1C）。如果來自主機的數(shù)據(jù)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傳感器或傳感器區(qū)域。如果沒有，那么以太網(wǎng)連接可用作頂級控制臺服務器。如果傳感器區(qū)域是用局部區(qū)域定義的，這可能是一種有用的架構(gòu)。

圖1：（A）點對點直連

（B）鏈接設備的回路或菊花鏈、（C）樹形配置

（圖源：貿(mào)澤電子）

除了遠程分配傳感器和執(zhí)行器外，分布式節(jié)點還可包括用于安全控制的專用射頻鏈路或RFID掃描儀，以便工廠內(nèi)的機器人經(jīng)過特定關鍵位置時讀取和寫入數(shù)據(jù)。任何時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)議的類型

RS-232

RS-232是我們大多數(shù)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。信號線永遠不依賴地線。因此，RS-232相對穩(wěn)健，可以很好地抑制噪聲和脈沖毛刺。由于未連接的電線不顯示電壓，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對每個信號使用一對差分線。這使其可以不受嘈雜工廠環(huán)境中可能存在的共模噪聲的影響。它需要兩倍的電線數(shù)量，并且不像過去用于大多數(shù)計算機外圍設備和調(diào)制解調(diào)器的RS-232那樣常見。

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對。這意味著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。

如果實施得當，RS-485還可以覆蓋數(shù)千英尺，并且通常用于工廠和工業(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、具有競爭力的線路驅(qū)動器和接收器，并內(nèi)置ESD和噪聲防護。

請注意，UART幀異步數(shù)據(jù)包格式（如RS-232、RS-422和RS-485）也用于汽車領域的控制器局域網(wǎng)（CAN）和OBDII控制和傳感器總線。

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

媒體服務器解決方案

多端口控制臺提供可通過IP訪問的多個單獨串行端口，例如以太網(wǎng)和TCP/IP接入點。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?shù)慕涌凇?/p>

兩個10/100/1000以太網(wǎng)端口可支持單個串行端口高達921.6Kbits/sec數(shù)據(jù)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。

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，每個串口保護方案都內(nèi)置有15KV ESD保護。這些控制臺服務器充當理想接口，連接TCP/IP網(wǎng)絡與PLC、CNC機器、磅秤、掃描儀和幾乎任何類型基于傳感器的系統(tǒng)。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(tǒng)支持這些串行標準，并且控制臺服務器允許單獨連接到這些傳感器。請注意，每個設備都可以有自己的波特率、奇偶校驗和停止位配置，從而簡化設置和使用，并最大化帶寬，因為最慢的設備并不會限制更快的設備。

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

工廠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(tǒng)視為主機，它通過以太網(wǎng)交換機連接到串行控制臺服務器。這樣可以為每個區(qū)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，通過高速以太網(wǎng)交換機路由到局部區(qū)域。每個局部區(qū)域都可以利用串行控制臺服務器建立直連鏈路，與機器人將經(jīng)過的每個傳感器、射頻鏈路或執(zhí)行器相連。

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

圖2：示例拓撲

（圖源：貿(mào)澤電子）

結(jié)語

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

串行端口仍然是分配傳感器和執(zhí)行器最具成本效益的方式。

幾乎每個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網(wǎng)絡中。這也使機器人能夠簡化并降低復雜性，因為它們的許多職責可以轉(zhuǎn)移到更智能的設施上。