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2025-04-16
发表了主题帖： UWB(超宽带)无线通信是什么？使用UWB的定位方法有哪些应用？

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-17 08:39 编辑 UWB无线通信技术此前，我们为您详细介绍过LPWA(Low Power Wide Area)无线通信技术以及其在成本低、功耗低、距离远的需求中应用。在此，我们为您介绍另一种无线通信技术——UWB无线通信——的特征、历史和用途。 UWB是Ultra-Wide Band的缩写，意思是超宽带。UWB无线通信是使用超宽带的频率带宽的无线通信，其主要特征是能够实现高精度定位。近年来，已普及至智能手机防丢失、高阶汽车智能钥匙等民用设备。预计未来将在多个领域普及。 UWB无线通信技术有哪些特别优势？技术发展历史如何？有什么主要用途呢？ UWB无线通信的特征 IEEE802.15.4z是UWB无线通信的代表性标准，其中有使用Impulse Radio的方式，Impulse Radio使用持续时间短的脉冲信号。该标准的主要特征如下：高精度测距和定位安全性高对其他通信干扰弱低功耗 UWB无线通信如何展现这些特征? 图1 UWB无线脉冲方式的波形另一方面，时域中的脉冲宽度小意味着频域中的功率谱占据很宽的频带（通信中的时域和频域将在后文解说）。图2定性地显示了该频域中UWB无线通信的传输功率（功率谱密度）。例如，如果同第2代手机和Wi-Fi以及第3代手机等传统通信所使用的频率带宽相比较，可以看到UWB无线通信的频率带要宽得多。图2 UWB无线通信方式与其他通信方式的功率谱密度带宽定性比较由于UWB无线通信具有以上所述的使用频率带宽、传输功率等级低于噪声等级的通信特性，因此对其他通信的干扰较弱，且通信本身不为第三方所知，所以其安全性高，而且，还具有能进行低功耗通信的特点。 *1 FCC（Federal Communication Commission：美国联邦通信委员会）：在美国参与管理和监管美国全部通信（无论是无线还是有线）的政府机构。 *2 dBm/MHz：每1MHz频率宽度的功率等级（功率谱密度）。dBm是将功率转换为常用对数时的单位。在通信领域中，需要处理的数值范围很广，直接处理很不方便。所以通常使用对数表示来缩小其范围。 UWB技术的历史和法规自1960年代以来，UWB技术在美国主要作为军用雷达进行研究。直到1994年左右，它还是一种被视为军事机密的通信技术。从1998年左右开始，美国FCC开始考虑将UWB用于民用，并于2002年获得批准，此后，UWB芯片套件等的研究不断向前推进。到2019年之后，UWB才广为公众所知。引发这一现象的是配备UWB模块的智能手机的问世。由此，在过去未将UWB用于民用目的的国家，使用许可也取得了进展。 UWB技术就是这样发展起来的，如果特别关注频率带宽规定的话，会发现FCC分配的UWB无线电频率带宽是3.1GHz-10.6GHz之间的7.5GHz。另一方面，欧盟、欧亚大陆、东亚、大洋洲等国家和地区分配的带宽与此略有不同，其规定是在室内和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的带宽。 *3 IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers：电气与电子工程师协会）：世界上规模很大的电气领域学术研究组织。也是该领域的技术标准化组织。 UWB无线通信的用途这里，我们对UWB无线通信在民用和工业中的主要用途以及今后可期待的用途进行介绍：民用UWB无线通信设备和服务 - 防范丢失通过在物品上贴上UWB标签，可以防范其丢失。例如，将UWB标签贴在包、钱包、钥匙等上面，使用配备有UWB模块的智能手机，可以以cm级精度定位UWB标签的位置，并找到这些物品。此外，虽然UWB标签的电池是纽扣电池，但由于功耗低，所以被认为可以使用1年左右。自2019年以来，UWB模块不仅越来越多地配备在智能手机中，而且还配备在平板电脑、智能手表和智能音箱等民用设备中。今后，随着使用UWB无线通信的各式产品和服务的出现，预计将成长为一个大规模的市场。 - 安全地入退馆和入退室通过使用配备UWB模块的智能手机，可以构建不用手且安全地入退馆和入退室的系统。利用UWB的高精度测距和高安全性的特征，可以在迄今为止使用密码、物理钥匙、IC卡等的公寓等住宅以及处理机密信息的办公室和工厂等处不需要取出钥匙以及IC卡，将智能手机等放在口袋或包里即可安全地解锁入口。能够顺利入退馆和入退室的应用程序有望得到普及。 - 免提支付和计费通过使用配备UWB模块的智能手机，可以在超市、便利店、餐馆等商业设施构建不用手且安全的支付系统，此外，还能在车站检票口、娱乐设施、住宿设施、停车场等处构建计费系统。利用UWB的高精度测距和高安全性的特征，不需要拿出钱包、IC卡、智能手机等即可不用手、顺利地进行支付和计费的应用程序有望得到实用化和普及。汽车用UWB无线通信设备及应用 - 智能钥匙作为利用UWB无线的高精度测距和定位的用途之一的是汽车智能钥匙。例如，可以配备以下操作功能：通过在汽车附近使用UWB进行无线通信在约1m以内判断车主并解锁，或者在车主位于数十厘米以内时启动发动机。此外，由于UWB无线的传输功率很低，是一种具有高度保密性的通信，因此可以防范中继攻击（第三方中继传统无线钥匙持续输出的电波并解锁的盗窃手段）等，强化安全性。 - 车载网络的无线化如今，配备各式各样的传感器、雷达、AI系统等并让它们相互合作的汽车IoT化不断发展，作为CAN（Controller Area Network）等车载网络使用的线束（由电线和连接端子组成的车载部件）据说在某些车型上的总长度已达到10km，总重量已达到50kg。作为联网汽车也在并行发展，在这种情况下，与其他通信之间的干扰较弱的UWB无线技术被认为在实现车载网络无线化中非常有效。工业用UWB无线通信设备和系统 - 工厂、仓库等的实时定位系统使用多个UWB锚点和UWB标签*4，可以构建高精度、实时掌握放置在工厂和物流现场等处的部件和包裹等的位置的系统-实时定位系统（RTLS：Real Time Location System）。 *4 在使用UWB无线通信进行定位时，标签发出的信号被多个锚点接收，并能通过对信息进行处理来准确确定标签的位置（参见专栏）。工业UWB锚点通常与定位引擎、应用服务器等结合使用。 UWB中的定位方法作为使用UWB无线通信的定位方法，代表性的方法是将配备UWB功能的智能手机等终端或工业用UWB 锚点、通过UWB标签之间的ToF（Time of Flight）进行的测距以及通过AoA（Angle of Arrival）进行的测量角度进行组合。以下，我们对每种方法分别进行解说。通过ToF进行的测距通过使用UWB无线通信的ToF（Time of Flight）技术进行测距的原理是：通过测量从消息（信号）发送到接收的时间来计算到物体的距离。具体而言就是UWB发射器发送短脉冲信号，接收器接收该信号。从发送到接收所需的时间称为ToF。使用ToF技术的UWB测距可以根据电磁波的速度（光速）和所需的时间来计算距离。具体而言就是用所需时间和光速的乘积求出距离。可以通过UWB的超宽带特性利用短脉冲信号，因此，可以获得很高的时间分辨率和测量精度。由此，在传感和定位应用中可有望得高精度的测量结果，因此已被应用于各式各样的领域。 UWB测距技术主要有2种手法：SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging）和DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）。这些手法采用不同的方法通过信号往返进行距离测量。 - SS-TWR： SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging）是一种仅由一方的设备测量往返时间的方法。在这种手法中，设备A向设备B发送信号，设备B收到该信号后，向设备A发送回复信号。设备A测量从发送到接收所花费的时间并计算往返时间。此方法仅使用设备A就能进行测量，但需要两个设备的时钟同步。 - DS-TWR： DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）是一种用两台设备测量往返时间并共享结果的方法。在这种手法中，设备A向设备B发送信号，设备B收到该信号后，向设备A发送回复信号。设备 A和设备B分别测量各自从发送到接收所需要的时间，并使用这些结果计算往返时间。这种方法不需要时钟同步，因此测量更容易，精度更高。图3 UWB中通过ToF（DS-TWR）进行测距通过AoA进行的角度测量 AoA(Angle of Arrival)是一种计算从设备A看到的设备B放置方向的角度的方法。如图4所示，UWB无线中通过AoA进行的角度测量的原理是：设备B发射的电波被设备A的多根天线接收，并且根据接收的电波的相位差计算角度。使用这种方法，能通过用2根天线进行的角度测量（2D AoA）进行平面定位，以及通过用3根天线进行的角度测量（3D AoA）进行三维定位。图4 UWB无线中的AoA（2D AoA）
发表了主题帖：室内UWB定位技术的原理

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-18 08:26 编辑随着互联网的高速发展和城市化进程不断加速，人们对于定位服务的需求越来越大。GPS卫星定位技术虽然成熟，但定位的条件是基于广阔的开放区域，而在封闭的建筑物和矿井内，GPS卫星定位技术就有些力不从心，从而催生了室内定位技术。近年来，国内外相关厂商研发与应用了多种室内定位技术，其应用场景也不断丰富。本文介绍了室内定位技术的用途，详细解读了九种室内定位技术，并介绍了室内定位技术的原理，以及国内外主流的室内定位厂商。九种室内定位技术概览 1、超宽带（Ultra-Wideband，UWB）定位技术 UWB定位技术是一种基于超短脉冲信号的室内定位技术。它利用非常短且宽带的脉冲信号来进行定位，能够提供高精度、低延迟的定位结果。UWB定位技术在实时定位、室内导航、人员跟踪、无人机控制等领域有广泛应用。 UWB系统会发射一系列非常短且宽带的脉冲信号。这些脉冲信号的持续时间极短，允许它们在时间上与其他信号分开，从而在多径传播环境下也能准确地识别。UWB可以通过测量信号从发射器到达接收器的时间差来确定物体的距离。由于超短脉冲信号的宽带性质，它们能够实现非常高的时间分辨率，从而实现极高的距离测量精度。为了获得准确的定位结果，UWB系统通常会使用多个发射器和接收器。通过多个发射器和接收器之间的时差测量，系统可以计算出目标物体相对于这些设备的位置。和其他定位方式类似，UWB的定位算法会分析从不同发射器接收到的信号时间差数据，并使用这些数据来计算物体的位置。这其中也涉及到三角测量、多边形法以及校准算法等方法来解决多径传播和误差问题。同时，类似于其他定位技术，UWB定位技术也可以与其他传感器和技术进行融合，如惯性传感器、地标识别、视觉传感等，以提高定位的精度和稳定性。 UWB定位技术的优点包括高精度、低延迟、抗多径传播干扰以及适用于室内环境等。然而，UWB技术也需要遵循特定的频谱规定，以避免对其他无线设备的干扰。在一些国家和地区，UWB技术的频谱使用可能受到限制。 2、Wi-Fi定位技术 Wi-Fi(Wireless Fidelity)是指基于IEEE 802.11b标准的无线局域网。Wi-Fi定位技术通过收集和分析Wi-Fi信号的强度、延迟和其他特征来确定设备的位置。 Wi-Fi定位系统会扫描周围的Wi-Fi信号，获取到附近可用的Wi-Fi网络信息，然后将采集到的Wi-Fi信息与预先构建的Wi-Fi数据库进行匹配。这个数据库中保存了已知Wi-Fi网络的位置信息，通过比对采集到的信号特征，找到与之匹配的Wi-Fi网络。一旦找到匹配的Wi-Fi网络，定位系统会使用三角测量、指纹定位或机器学习等算法，计算出设备的位置坐标。 Wi-Fi定位技术在室内定位领域得到广泛应用。根据室内安装的Wi-Fi基站和信号覆盖范围，可以确定用户在室内的具体位置，实现室内导航、场所服务等功能；许多社交媒体和应用程序利用Wi-Fi定位技术为用户提供附近的兴趣点、商家、活动等信息，以及实现用户之间的位置共享和社交互动；通过收集用户的位置信息，Wi-Fi定位技术还可以用于精准的广告投放和营销活动，根据用户位置和兴趣提供个性化的推荐内容。尽管Wi-Fi定位技术在室内定位中具有一定的精度和可行性，但由于Wi-Fi信号受到环境影响较大（如墙壁、天花板等）。因此，一些定位系统可能会结合多种技术（如蓝牙、磁场等）来提高位置识别的准确性和稳定性。 3、蓝牙定位技术类似于Wi-Fi定位，蓝牙定位也适用于室内环境，特别是在需要高精度、实时定位的场景中。蓝牙定位技术通常用于室内导航、物品追踪、定位服务和位置感知应用。蓝牙定位基于RSSI（信号强度）值，通过三角定位原理进行定位。蓝牙定位系统由蓝牙信标（Beacons），网关、蓝牙定位平台等构成。在区域内铺设beacon和蓝牙网关，当终端（手机、pad等）进入beacon信号覆盖范围，终端就能感应到beacon的广播信号，然后测算出在某beacon下的RSSI值通过蓝牙网关经过Wi-Fi网络传送到后端数据服务器，通过服务器内置的定位算法测算出终端的具体位置。蓝牙定位实现简单，非常省电，其定位精度与蓝牙信标的铺设密度和发射功率有密切关系。蓝牙定位技术在许多领域都有应用，例如零售业中的室内导航、智能办公室中的人员定位、物流和仓储中的资产追踪等。然而，与其它定位技术一样，蓝牙定位技术面临隐私和安全问题，因为它可能涉及到对用户位置的收集和处理。 4、惯性导航定位技术惯性导航定位技术是基于惯性传感器测量物体加速度和角速度的原理来实现定位和导航的技术。这种技术不依赖外部信号，适用于各种环境，包括室内和室外。惯性导航定位技术通常用于导航系统、航空航天、军事、无人系统和运动跟踪等领域。惯性导航系统使用惯性传感器来测量物体的加速度和角速度。这些传感器包括加速度计和陀螺仪。加速度计测量物体在空间中的加速度，陀螺仪测量物体的角速度（即物体的旋转速度）。惯性导航系统通过对加速度和角速度的测量值进行积分，可以估计物体的位置和方向变化。运动积分基于牛顿运动定律，从而将加速度转换为速度，再将速度转换为位置。然而，积分会引入累积误差，随着时间的推移可能导致定位误差逐渐增加。为了减少累积误差，惯性导航系统通常需要进行误差校正。这可以通过不同的方法来实现，如利用其他定位技术进行校正，或者使用陀螺仪漂移校正算法来修正角速度传感器的误差。同样的，为了提高定位的准确性和稳定性，常常将惯性导航技术与其他定位技术（如GPS、地标识别、视觉传感等）进行融合。这种多传感器融合的方法可以在短时间内提供高精度的定位，同时通过其他技术来纠正惯性导航系统的误差。惯性导航定位技术在一些应用场景中具有优势，例如在无法获得GPS信号的室内环境、飞行器的姿态控制以及虚拟现实和增强现实应用中的运动跟踪。然而，由于积分误差的累积问题，长时间的使用可能导致定位误差的积累。因此，在长时间或高精度要求下，通常需要与其他定位技术结合使用。 5、ZigBee定位技术 ZigBee定位技术利用ZigBee无线通信协议来实现物体或设备的定位和追踪。ZigBee是一种低功耗、短距离、低数据速率的无线通信协议，通常用于物联网设备之间的通信。ZigBee定位技术主要应用于室内环境中，如室内导航、人员跟踪、仓库管理等领域。 ZigBee定位系统由多个ZigBee节点组成，其中包括定位设备和参考节点。定位设备是需要被定位的物体或设备，而参考节点则是用于收集和处理定位信息的设备。ZigBee定位技术可以通过测量信号的传播时间或信号强度来估计物体与参考节点之间的距离。信号传播时间方法类似于其他定位技术中的时间差测量，而信号强度方法则通过测量接收到的信号强度来估算距离。 6、地磁定位技术地磁定位技术是一种利用地球的磁场来进行定位和导航的方法。它通常用于室内环境中，可以作为其他定位技术（如蓝牙、Wi-Fi、UWB等）的补充或替代方案。地磁定位技术利用地球的地磁场在不同位置产生的变化来确定设备的位置。地磁场的强度和方向在不同地点有所不同。地磁定位技术通过测量设备所处位置的地磁场强度和方向，与预先建立的地磁场地图进行比较，从而确定设备的位置。设备使用内置的地磁传感器来测量周围地磁场的特征。这些传感器可以检测地磁场的强度和方向，从而计算出设备的位置。地磁定位需要进行初始校准，以便将传感器数据与实际地磁场匹配。校准通常要求用户在已知位置上旋转设备，以收集不同角度下的地磁数据。地磁定位技术使用算法来处理传感器数据，进行地磁场匹配并计算设备的位置。这些算法可以考虑多个传感器数据，滤除噪音，并精确定位设备。地磁定位技术可以用于室内导航、位置感知、物品跟踪等。在商场、展览馆、医院等场所，地磁定位可以帮助用户定位到特定区域，获取相关信息。地磁定位技术受到室内环境的影响，如金属结构、电子设备等可能会干扰地磁场测量。此外，地磁场可能会因地球磁场的变化而有所不同，因此定位的精度可能会受到影响。地磁定位的精度通常相对较低，一般在几米到十几米范围内。然而，通过结合其他定位技术，如蓝牙或Wi-Fi，可以提高精度。 7、红外线定位技术红外线定位技术是一种利用红外线信号来实现物体或设备的定位和追踪的技术。这种技术通常应用于室内环境，可以用于人员跟踪、室内导航、智能家居和工业自动化等领域。红外线定位技术在低能耗、实时性和隐私方面具有优势。红外线定位系统包括红外线发射器和接收器。发射器会发射红外线信号，而接收器会接收来自发射器的信号。通过测量信号的传播时间或强度，系统可以计算出物体与发射器/接收器之间的距离。红外线定位技术可以使用时间差测量（Time of Flight，ToF）来测量物体与发射器/接收器之间的距离。通过测量信号从发射器到达接收器的时间，系统可以根据光速来计算物体的距离。与其他技术相比，红外线信号的传播速度非常快，因此时间差测量的精度较高。红外线定位技术在一些场景中具有优势，如室内环境、低能耗要求的应用、需要实时定位的场景等。然而，红外线信号可能会受到障碍物的遮挡或干扰，从而影响定位精度。 8、超声波定位技术超声波定位技术是一种利用超声波信号来确定物体或设备位置的技术。它通常应用于室内环境，特别适用于需要高精度、低延迟的定位场景。超声波定位技术在工业自动化、室内导航、智能家居以及机器人等领域有着广泛的应用。超声波定位系统由超声波发射器和接收器组成。发射器会发出超声波信号，而接收器会接收回弹的信号。通过测量信号发射和接收的时间间隔，系统可以计算出物体与发射器之间的距离。超声波定位系统使用时间差测量（Time of Flight，ToF）原理来确定距离。系统会测量信号从发射器到达接收器的时间，然后通过声速计算出物体与发射器之间的距离。因为声速在空气中是一个已知的常数，通过测量时间差，可以推算出距离。为了实现更准确的定位，超声波定位系统通常会使用多个发射器和接收器。通过多个超声波设备，可以计算出物体相对于这些设备的位置，从而实现三角测量或多边形法。定位算法会分析从不同发射器接收到的超声波信号，然后根据时间差和声速计算出物体的位置。一些算法还可能使用概率模型或机器学习来提高定位的精度和稳定性。 9、射频识别定位技术 RFID是一种利用射频信号来实现物体或设备的定位和追踪的技术。RFID技术可以用于室内和室外环境中，在物流、供应链管理、资产追踪、室内导航和智能物联网等领域有广泛应用。RFID系统包含RFID标签和RFID读写器。RFID标签通常附在物体或设备上。每个RFID标签都有一个唯一的识别码，可以通过射频信号进行读取。RFID标签分为主动式和被动式两种。主动式标签具有自身的电池，可以主动发射信号，而被动式标签则依靠读写器发送的信号来激活并传输数据。RFID读写器是用于发送射频信号和接收RFID标签响应的设备。读写器可以定期向附近的RFID标签发送信号，激活标签并读取其识别码或存储的数据。 RFID定位技术可以通过测量RFID标签与读写器之间的信号强度来确定物体的距离。信号强度会随着距离的增加而减弱，因此可以根据信号强度来估算物体与读写器之间的距离。类似于其他定位技术，使用多个RFID读写器可以实现更准确的定位。通过测量RFID标签与多个读写器之间的信号强度，系统可以计算出标签的位置。 RFID定位技术的优势在于实时性和易用性。由于RFID标签可以以较低的成本批量制造，并且RFID读写器可以覆盖相对较大的范围，因此，RFID技术可以实现规模化的定位和追踪。 RFID定位技术也有一些限制，如信号受干扰的影响、标签与读写器之间的角度问题以及不适用于高精度定位等。在具体应用中，需要根据实际情况选择合适的技术，并可能与其他定位技术结合使用，以实现更准确的定位结果。表1 九种室内定位技术的特点室内定位技术主流算法与性能对比根据定位技术的不同，采用的算法也会各有不同。在上述的这些无线定位技术中，有四种主流的定位原理算法，分别是: 1）基于信号强度(RSSI) RSSI(Received Signal Strength Indication)，基于信号的强度来进行目标定位，比如离无线路由器越远，Wi-Fi的信号越弱，这样就可以通过信号的传播模型与距离建立关系，最终进行目标位置的定位。 2）基于信号角度(AOA) AOA(Angle of Arrival)，该定位办法是基于接收信号角来进行目标定位的方式。角度检测的基本原理是通过天线阵列获取信号在不同阵元上的相位差, 然后通过信号角度估计算法获得来波方向信息。 3）基于到达时间法(TOA) TOA(Time of Arrival),此方法就是通过信号在空中的传播速度*飞行的时间来测量目标定位点与接收端的距离来最终定位。 4）基于到达时间差法(TDOA) TDOA(Time Difference of Arrival),基于到达时间差法又叫双曲线定位法，通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。以监测站为中心，距离为半径作圆来确定信号位置。TDOA算法是对TOA算法的改进，他不是直接利用信号到达时间，而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置，定位精度也有所提高。室内定位技术的应用场景室内定位技术主要是在室内场所对人员、设备、物资进行实时定位，被广泛应用于工业生产、智能家居、医疗、安防、体育运动等领域，以及布局复杂的大型商超、机场、酒店、博物馆等室内场景中。在工业生产领域，室内定位技术可以用来跟踪人员、物流设备、机器人、车辆等，通过轨迹追踪实现全厂范围内货物的定位监控，智能巡检，员工监控以及安全预警，助力工厂实现智能化升级；在智能家居领域，室内定位技术可以用来实现人员跟踪，从而根据人的位置来自动调节照明、温度、音响等设备；在安防领域，室内定位技术可以收集人员在室内的移动和行为数据，进行分析，以优化商业运营、展览布局等方面的决策；在医疗领域，室内定位技术可以用于监测病人的位置和活动，监控老年人或特殊病患者的情况，以及为康复过程提供指导；在体育运动领域，室内定位技术可以用于分析运动员在体育场馆内的运动轨迹和行为，以改善训练和表现。国际室内定位厂商巡礼 ◉ Zebra Technologies Zebra Technologies（斑马技术）提供包括基于RFID、蓝牙、Low Energy、UWB、Wi-Fi、GPS 等技术的室内定位和资产管理解决方案。斑马技术的优势在于其专利的核心算法和快速的反应设计，能够满足高速定位的需要。单个定位服务器可以连接64个定位天线，为3600个信标提供准确的定位信息。满足客户从一维到三维空间的实时定位需求。Zebra的长效信标可以使用7年。斑马技术的解决方案在工业、零售等领域广泛应用，可以帮助实现实时资产追踪和管理，同时也包括室内定位功能。图 1斑马智能工厂室内定位解决方案（来源：斑马官网） ◉ Aruba Networks (HPE) Aruba Networks 是惠普企业（HPE）旗下专注于网络和移动设备解决方案的供应商。其室内定位Aruba Location Services利用 Wi-Fi 和蓝牙低功耗（BLE）技术，通过部署蓝牙信标在建筑物内，为设备和人员提供准确的定位。可以将 Aruba 接入点用作物联网平台，并支持 BLE 和 Zigbee 连接，以及 EnOcean 和专用物联网协议，无需单独的网络。 ◉ Apple iBeacon是由苹果公司推出的一项无线技术，旨在通过蓝牙低功耗（BLE）发射信号来与附近的设备进行通信。iBeacon技术使得移动应用程序能够根据用户的位置信息发送相关的信息，从而为用户提供更加个性化和定位的体验。 iBeacon技术基于蓝牙低功耗标准，这意味着设备之间可以进行短距离通信而不会消耗太多电量。iBeacon设备是小型的硬件设备，通常由一个发射器（发送器）和一个蓝牙芯片组成。发射器会定期发射蓝牙信号，包含一个唯一的标识符，移动设备可以通过扫描这些信号来确定自己的位置。要使用iBeacon技术，用户需要在其移动设备上安装支持该技术的应用程序。这些应用程序可以通过监测接收到的iBeacon信号来触发特定的操作，比如发送通知、显示特定信息、启动应用程序等。 iBeacon的主要应用之一是为用户提供基于位置的体验。在工业上，很多国内的公司也用iBeacon技术来做定位。例如为工作人员佩戴iBeacon胸牌或手环，就可以实现对物品或人员的监控定位。 ◉ Quuppa Quuppa成立于2012年9月，是实时定位系统(RTLS)供应商，由原诺基亚研发中心负责研发高精度室内定位技术的团队创建。基于到达角方法的发现，创始团队在算法上取得突破性的进展，并通过广泛的研究与验证，使技术日臻成熟。Quuppa智能定位系统为基于位置的服务和应用提供强大的引擎工具。Quuppa通过将低功耗蓝牙技术，独特的到达角信号处理方法，先进的专有算法三者合一，提供实时精准的位置数据。目前，Quuppa拥有超过150家全球合作伙伴。图 Quuppa智能定位系统示意图（来源：Quuppa官网） QUUPPA的技术和产品应用在工业、安防、智能建筑、体育、医疗、服务、零售等各种行业。在工业上，QUUPPA产品和技术起到了碰撞避免、危险区域检测、设备库存统计、生命体征检测、人员追踪、跌倒检测、访问者跟踪等作用。 ◉ Estimote Estimote 是一家专注于蓝牙低功耗（BLE）技术的公司，其解决方案 Estimote Indoor Location SDK 用于在室内环境中实现定位。他们的技术基于蓝牙信标（beacons）和移动设备上的 Estimote Beacon。通过部署信标和利用设备上的传感器，Estimote 的解决方案可以在零售、展览、娱乐等多个领域为用户提供室内定位和导航。 ◉ IndoorAtlas IndoorAtlas 是一家专注于地磁和超声波定位技术的公司。利用设备内置的传感器，结合地磁和超声波数据，提供基于地磁场的室内定位技术。该技术无需依赖GPS信号，也不需要额外的硬件设备，可以在各种室内环境中为用户提供高精度的室内导航。 IndoorAtlas的技术在多个领域有广泛的应用。其中包括室内导航、位置感知型移动应用、零售业的定位营销、物流和仓储管理等。IndoorAtlas还为开发者提供了软件开发工具包（SDK）和应用程序接口（API），使开发者能够集成室内定位功能到他们的应用中。 ◉ Google 谷歌的 Beacon Platform 是一种基于蓝牙低功耗（BLE）技术的室内定位解决方案。通过在建筑物内部署蓝牙信标，移动设备可以感知信标的信号，为用户提供定位、导航和互动体验。谷歌的解决方案允许开发者利用 Beacon 技术为应用程序添加位置感知功能。 ◉ Ubisense Ubisense 提供基于超声波和RFID技术的室内定位和实时位置感知解决方案。广泛应用于制造业和物流管理。他们的技术结合了无线通信和传感器数据，能够在复杂的室内环境中准确定位人员、设备和资产。其解决方案可帮助提高生产效率和管理流程。 ◉ HERE HERE 公司提供基于 Wi-Fi、蓝牙和传感器数据的室内定位解决方案，HERE Indoor Positioning。该解决方案结合了多种定位技术，以提供高精度的室内定位服务。HERE 的解决方案在智能城市、交通、零售等领域广泛应用，为用户提供准确的位置感知和导航。 ◉ Sensewhere Sensewhere 是一家提供室内定位和位置服务的公司，其技术基于 Wi-Fi、蓝牙和传感器数据。他们的定位技术特点在于提供高度精确的定位，适用于商业、文化和娱乐场所等多个领域。 ◉ Pozyx Labs Pozyx Labs 位于比利时，专注于提供室内定位和位置跟踪解决方案。他们的技术基于超宽带（UWB）技术，可用于实现高精度的室内定位和位置识别。Pozyx Labs 提供一系列超宽带定位设备、传感器和解决方案，用于实现室内定位、位置感知和导航。Pozyx Labs 的技术以其高精度而闻名，可以实现厘米级别的定位精度。这使得他们的解决方案在需要高精度室内定位的场景中非常有用。他们的产品可以适用于不同的应用领域，如物流、工业自动化、医疗保健等。 ◉ Sewio Networks Sewio 总部位于捷克，专注于提供实时定位系统（RTLS）解决方案，用于室内定位、跟踪和位置感知。他们的技术基于超宽带（UWB）技术，旨在实现高精度和可靠的室内定位和位置识别，并配有RTLS Studio、远程管理和可视化软件。Sewio为合作伙伴和客户提供了一个准确、易于集成、可靠且完全可扩展的物联网解决方案，用于室内位置跟踪，使企业能够实现更高的效率、盈利能力和安全性。图 sewio室内定位解决方案（来源：sewio官网） ◉ Pointr Pointr 是一家英国技术公司，专注于室内定位和导航解决方案。pointr利用了Deep Location（一组获得专利的机器学习和传感器融合技术），并通过解锁室内谷歌地图风格的解决方案，帮助改善客户体验、获取数据洞察并大幅提高效率。目前，Pointr 室内定位系统被广泛应用于包括医疗保健设施、机场、零售、配送中心等场所。图 Pointr 的deep location解决方案示意图（来源：Pointr官网）国内室内定位厂商巡礼 ◉ 海尔物联网海尔物联网是海尔集团的子公司，专注于智能家居和物联网解决方案。其室内定位解决方案应用在智能家居领域，通过使用传感器和网络技术，可以实现家居内部设备和人员的定位，提供个性化的控制和服务。 ◉ 百度百度提供的室内地图和定位技术，可以为用户提供室内导航、位置搜索和定位服务，适用于商场、机场和公共场所。 ◉ 沃旭通讯沃旭通讯是一家专注位置数字化研究及应用的高新技术企业。面向工业制造、电力能源、矿井矿山、仓储物流等行业领域提供精准的位置数字化整体解决方案，也为汽车、智能家居、IoT等领域提供模块定制化方案，涵盖定位标签、定位基站、定位模块、计算引擎及业务应用平台等一站式信息技术服务。沃旭通讯依托十余年的射频开发经验，以自有核心算法为技术支撑，将UWB与WIFI、BLE、AP、5G等通信技术的融合，打造全链条产品矩阵，实现位置数据的全方位互联互通。聚焦行业应用，通过对人、车、物、料的位置感知，让安全与效率提升清晰可见，持续为用户创造价值。图 5沃旭通讯矿山定位解决方案（来源：沃旭通讯） ◉ 寻息科技寻息电子科技有限公司深耕位置物联网领域15年，具备从室内到室外、从米级到厘米级的全栈式位置物联网能力。寻息科技针对工业安全生产管理，智慧医疗、智慧养老、智慧政务、电力能源、工贸制造等领域，打造“工业互联网、大健康、政企事业”三大主力品牌，赋能全行业生态伙伴。寻息电子的钛斗™星地融合广域定位系统，基于多传感的测高算法，室外GPS/北斗卫星定位技术+室内定位技术，有效解决百万平大厂布置定位系统“价格高、定位不准、室内外切换难”等问题。图寻息科技钛斗TM星地融合广域定位系统（来源：寻息科技） ◉ 中兴通讯中兴通讯是全球领先的通信技术解决方案供应商，他们的室内定位技术主要用于物联网和智能城市领域。中兴通讯的解决方案结合了无线通信和传感器数据，可以实现设备和人员在室内环境中的定位和追踪。 ◉ 联睿电子联睿电子科技有限公司主要从事UWB（超宽带）高精度定位技术研发和应用。公司以室内精准定位（UWB）为核心技术，并融合北斗、蓝牙、视频等技术，为各行业提供厘米级到米级精度的定位技术解决方案和相关服务。重点服务于智慧电力、智慧施工、智能工厂等领域。 ◉ 蓝色创源蓝色创源科技有限公司是蓝牙AOA解决方案提供商，提供蓝牙AOA新型定位技术设施。在智慧工厂方面，蓝色创源BlueIOT智慧工业精准定位管理系统，从不同类型工业企业管理的难点痛点出发，借助蓝牙信号达到角（AOA）定位算法获得标签唯一来波方向与位置，将传统低精度蓝牙5米精度提升十倍，获得稳定的亚米级精度。其基站采用专利技术，通过蓝牙5.1阵列天线切换，向下兼容所有蓝牙4.0标签，可以同时实现IOT标签高精度定位与LBS手机高精度定位。图蓝色创源工厂内部定位解决方案（来源：蓝色创源官网） ◉ 清研讯科清研讯科（北京）科技有限公司，核心团队来自清华大学测试技术与仪器国家重点实验室，是全系列工业精确定位产品与解决方案提供商，该企业通过提供人员、车辆、设备、资产的精确位置，在提升生产效率、加强安全监管和提高社会管理水平等方面发挥了重要价值。清研的LocalSense无线定位技术主要应用于智能制造、汽车装配、仓储物流、电力能源、司法公安、法院检察院、隧道交通、智慧城市等十余个行业。图清研讯科制造业物流定位解决方案（来源：清研讯科） ◉ 致寻科技北京致寻科技有限公司是一家专注于以超宽带技术（UWB）为核心的室内定位系统定制方案提供商。核心团队潜心于超宽带技术研究及市场应用多年，超宽带定位技术完全自主开发、拥有数十项专利。定位系统采用到达时间差算法（TDOA），实现厘米级定位精度。定位数据接口丰富，易于调用。致寻科技为各行业提供全面的物联网解决方案，领域涵盖烟草、电力、医疗、餐饮、学校、博物馆、仓储物流、工业自动化及大型会展中心等。图致寻科技智慧工厂定位系统示范图（来源：致寻科技） ◉ 天工测控天工测控技术有限公司专业从事GNSS、WiFi、蓝牙等无线产品的研究和应用。天工测控能提供系列的工业级高品质GPS、BDS、GLONASS、GALILEO等GNSS导航定位模块、Wi-Fi模块、蓝牙模块及室内定位解决方案，并基于模块内核进行二次开发应用，给客户提供低成本的无线产品解决方案，降低客户整体成本。结语室内定位技术解决了室外导航无法覆盖的“最后一公里”的问题，随着人工智能、大数据、物联网、移动通信网络等技术的发展，室内导航系统将更加精准化、智能化、个性化。可以预料，室内定位技术将迎来规模化、大众化的应用时代，并与室外定位技术集成，实现出入场景无缝切换，共同为人们提供高精度位置服务。
发表了主题帖： UWB技术：如何做到厘米级定位+超高速传输！

UWB（Ultra-Wideband）即超宽带，是一种先进的短距离无线通信技术，以超宽频谱（通常超过 500 MHz）进行数据传输。这种技术不仅具备极强的抗干扰能力，还能提供厘米级的高精度定位。UWB 最初应用于军事领域，凭借其高可靠性和卓越性能，近年来已逐渐扩展至消费电子、工业物联网和智能家居等多个领域，成为推动智能化发展的关键技术之一。 UWB技术 01-UWB的工作原理一般的无线通信技术大多采用连续波形的载波，如下图的正弦载波，而UWB技术的独特之处在于基于脉冲信号。它利用纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，因此所占的频谱范围非常宽，发射的信号带宽远远大于传统无线通信技术。在IEEE802.15.4-2011中规定了UWB的信道划分，其中分成了三个Band group频带组，：Band 0为亚千兆(sub-gigahertz)信道；Band 1 为低频带UWB（low-band）信道；Band 2为高频带（high-band）信道。以标准中指定UWB优先使用的信道9为例，可以看到它的中心频率是7987.2MHz，频率带宽是499.2MHz。而4，7，11，15信道的带宽更是达到了1GHz以上，是所谓的大带宽信道。定义大带宽信道的好处是够提高系统的信噪比。随着带宽增大，单位时间内允许的发射信号总能量也相应提高。这将大大提高通信或雷达的覆盖距离。我们知道，时域中的窄脉冲宽度在频域中对应着宽频带。下图中定性地显示了频域中UWB无线通信的传输功率谱密度。可以看到它工作在3.1GHz 到10.6GHz的宽频谱范围。如果同其他无线通信如Wi-Fi，蓝牙等使用的频率带宽相比较，可以看到UWB使用的频带要宽得多，功率谱密度也要低很多。这使得它的信号难以被截获，同时也不容易受到其他信号的影响，通信更加稳定。下图是一个UWB调制方式的简单示例。脉冲发生器发生的脉冲序列经过二进制信号产生器发出的信息进行调相调制，形成BPSK二进制相移键控信号。其调制模式为：当传送信息为1时，脉冲不变；传送信息为0时，输出对应180度相位的信号。 02-UWB的定位原理 UWB常用的一种定位算法是TOF(Time Of Flight)，即飞行时间。这个算法是通过测量信号在两个UWB收发机（Transceiver）之间的飞行时间来确定发射端和接收端设备的距离。在信号发射端发射信号时带有独立的时间戳A1，标记信号发出的时间；在接收端接收到信号进行处理后，发出回应信号时加上两个信息：一个是发射端的时间戳A1，一个是接收端处理信号的时间间隔T2。那么在发射端收到回应信号时时，由于发射时间戳A1是已知的，即可知道信号来回耗时总时间T1。用这个T1减去接收端信号处理时间T2，即可知道信号往返的传输时间。那么信号单向飞行时间可计算为： Tf = (T1-T2)/2 由于电磁波的传播速度为光速C为恒定值，那就可精确计算出两点之间的距离。在室内定位应用中，利用多个基站采用三角定位法就可以精确定位出物体的空间位置。为什么大带宽的UWB能够提供更高的定位精度呢？这主要与其信号特性密切相关。当UWB脉冲在频域中具有更大的带宽时，根据信号处理理论，对应的时域脉冲宽度会变得更窄。这种窄脉冲不仅体现为信号持续时间的缩短，还表现出更陡峭的上升沿和下降沿。当信号的脉冲宽度更窄时，系统可以更加精确地检测到信号的起始和结束时间。这意味着每次测量中由于信号时间分辨不足而产生的计时误差会显著降低。最终，窄脉冲宽度转化为更精确的距离测量，进一步提升了定位的精确度。 UWB独特的窄脉冲传输方式使得它具备了很多优点。首先：UWB的信道带宽可以达到500MHz，传输速率可以达到1Gbps以上。根据信息论中的香农公式，在高斯白噪声信道中，传送的最大信息速率： C=信道带宽B* log2(1+信噪比S/N) 也就是说，带宽越宽，系统能够支持的最大传输速率越大。另外，由于它的宽信道，发射功率可以低于1mW，充分保证了长电池寿命和系统工作时间。它的短脉冲具有较强的时间和空间分辨率，具有优异的抗多径性能，在复杂的室内或密集环境中，有效抵抗多路径反射造成的信号干扰，进行高精度定位。其定位精度可以达到厘米级，并且具备很强的穿透障碍物的能力。 UWB 在 20世纪60年代首先被用于军事领域，通过脉冲信号的传播特性实现高效的雷达探测功能，到了1990年代逐渐转向民用化；2002年美国FCC正式批准UWB的商用；从2010年代开始，其高精度定位技术的发展，使得它开始用于室内定位和资产追踪。尤其是 2019年以后，主流电子产品厂商开始将 UWB 技术整合到消费级设备中，推动了其在智能家居和无钥匙进入系统中的普及。 03-UWB的应用场景 UWB高精度定位性能可以被用在各种领域。其中在车辆安全防护方面，具备UWB功能的车钥匙具备更高的安全性能，可以抵御可能存在的中继攻击。什么是中继攻击呢？当前很多车辆都装备了被动式无钥匙进入和启动系统。车主可以不用掏出钥匙，就可以打开车门进入汽车并发动汽车。这是由车辆和车钥匙之间的自动通信和认证完成的。不法分子会利用这个功能在停车场监听和中继放大车辆的广播信号，最远可达100米。而当车主的车钥匙接收到广播信号自动发回认证信息，那么如果被不法分子的设备截获放大并广播到停车场，会导致车辆被远程解锁。而采用了UWB技术的车钥匙，由于采用飞行时间可以精准定位车钥匙和车辆之间的距离，而且信息中带有时间戳，利用UWB可以建立一个安全距离圈，只有车钥匙真正进入这个安全距离圈，才可以解锁车辆。这样，中继攻击就不可能解锁车辆了。 UWB车钥匙的高精度定位的另一个应用是车主防盗抢功能：当车主来到驾驶室左前门的时候车辆才会解锁；而如果车主是先来到车辆的右前门或者车后门，则不会解锁。这样可以避免不法分子在车辆解锁瞬间，打开左前门抢劫车内物品。这个功能的实现就是建立在UWB厘米级精准定位性能上的。 UWB 的高精度定位功能还可广泛应用于日常生活，例如在家中查找物品。一般来说支持蓝牙的物品通常只能提示它们是否在附近，但由于蓝牙定位精度较低，我们难以知道其具体位置，需要逐个房间搜寻。而使用 UWB 技术，则能精确定位物品的位置，包括距离和方向信息。
2025-04-14
发表了主题帖：【人行机器人】解析特斯拉人形机器人电池Pack包

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-14 08:26 编辑 ▲特斯拉人形机器人公开信息基于专利：名称：《Vertical energy storage device enclosure and systems thereof for a robot》。 ▲专利附图1 从附图1可以看出，特斯拉人形机器人电池Pack系统采用圆柱电芯成组，内置于电池Pack箱体中。特斯拉公开的报道，该电池Pack系统的能量是2.3KWh，电压是52V。 ▲专利附图2 从专利附图2可以看到，整个电芯在Pack箱体内的布置，基于此，可以看到该电池Pack系统中间有一个明显的分割线，应该是由两个模组组成。每个模组从图上看应该是63个电芯。基于特斯拉的电芯技术路线演进方向，可以推断特斯拉人形机器人使用的是相对成熟，且容量较高的21700电芯。网络公开资料2018 Tesla Model 3 Cell Report，松下21700电芯的容量为：4.78Ah。具体计算如下：63x2x3.7x4.78=2.22Kwh。只有这个数据与特斯拉公开的2.3Kwh较为接近，也只有21700电芯的数据符合这个计算数据。所以无论怎么算，特斯拉官方给出的人形机器人52V是没法得出的。也可以推测出两个模组采用串联的方式，此方案也可以便于后续的后市场维护保养。 ▲特斯拉电芯技术路线及参数（上述表格中的4680容量是错误的） ▲特斯拉人形机器人散热方式人形机器人在实际的使用过程中，每执行一次动作，都要进行放电，而且在工业化的应用中，这种放电行为是高频且持续发生的。所以热管理对人形机器人来说依旧是一个重点课题。在计算机系统和电池Pack系统的下方都是散热翅片。在两个散热翅片中间有一个共用的风道，采用风扇主动抽风的方式，对计算机系统和电池Pack系统同时进行抽风降温。特斯拉的人形机器人展示了其在更多应用场景中的潜力，如工厂自动化中的复杂操作和家庭环境中的自主任务执行。多机器人协作的示例表明，Optimus 能够与其他机器人共同完成较为复杂的任务，为未来大规模应用提供了基础。
2025-04-11
发表了主题帖：人形机器人 | 人形机器人中的电机控制

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-11 08:45 编辑从科幻走入现实，人形机器人正经历一场静默而深刻的技术革命：更高效的能源控制、更精准的运动算法、更高速的通信架构、更智能的环境感知能力......这些变革正在重塑机器人的“骨骼”、“神经”与“感官”。本文将聚焦人形机器人中的电机控制引言制造业和服务行业对更高自动化水平的需求不断增长，推动了人形机器人的开发。人形机器人变得更加复杂和精确，自由度 (DOF) 变得更高，并且对周围环境的响应时间（按毫秒计）缩短，从而能更好地模仿人类的动作。图 1 展示了人形机器人的典型电机和运动功能。图 1：显示人形机器人 DOF 变得更高的位置具有更高的 DOF 意味着人形机器人需要更多的电机驱动器。机器人设计中的驱动器位置决定了不同的驱动器要求。部分关键规格是： · 通信接口架构 · 位置感测 · 电机类型 · 电机控制算法 · 功率级要求 · 电子电路尺寸 · 功能安全注意事项目前，虽然针对协作机器人和工业机器人制定了相关标准，但没有规定人形机器人功能安全要求的标准。随着需求的持续增长，预计标准机构将来会为人形机器人规定安全要求。在规定安全要求之前，人形机器人设计人员必须对当前系统设计进行相应调查，从而在将来尽可能减少因重新设计所带来的工作。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 可以阐明未来的预期。通信接口架构鉴于驱动器在机器人中的位置，因此优化与所有驱动器的通信，同时最大限度地减少布线数量非常重要。实现优化的备选方法有很多；最常用的方法是菊花链通信和线性总线拓扑，如图 2 和图 3 所示。图 2：菊花链通信图 3：线性总线拓扑选择拓扑后，为了实现足够的驱动器响应时间，需要考虑带宽、时序和延迟要求。响应时间可以根据规定的数据帧大小确定需要哪种支持实时通信的通信协议。通信接口的带宽要求也会受到以下方面决定的影响：如何在分散式电机驱动器、集中式和外部机器人运动控制器之间拆分电机控制算法，从而最大限度地减小节点之间所需的通信帧大小。通常，通信系统的最低带宽要求约为 8Mbit。但是，随着设计趋势的发展变化，这些趋势表明对系统诊断和安全功能的要求在不断提高。根据系统要求，人形机器人系统中通常使用的通信接口基于 CAN-FD 或以太网（包括 EtherCAT）。TI 提供物理层 (PHY) 收发器和嵌入式处理器，旨在支持这些通信协议。 CAN 收发器和以太网 IC 是人形机器人系统开发中使用的器件。位置检测人形机器人在运动时，必须接收电机位置数据以定义路径规划。位置数据可实现人形机器人受控的移动。为了以高精度实现受控移动，机器人必须配备转子位置传感器以在电机上捕获信息，并能够通过电机驱动器高效地将信息传递到中央处理计算机。根据所需的电机精度，使用多种转子位置传感器。下面是一些最常用的编码器： · 光学编码器 · 磁性编码器 · 增量编码器 · SIN/COS 旋转变压器这些编码器具有不同的接口来连接至驱动器并提供转子角度数据，在进行位置控制时需要使用这些数据。这些接口需要特定的硬件，因此电机控制处理器至少需要支持以下编码器配置之一： · 专用串行接口，如 BiSS、Endat、Hiperface 或其他数字绝对编码器 · 具有采样保持功能且适用于旋转变压器接口的 ADC 转换器 · 增量编码器的正交编码器脉冲 · 用于接合磁性编码器的串行接口一个电机可能需要多个编码器，具体取决于电机和电机传动装置的实现方式。TI 提供模拟和处理器 IC 来实现编码器接口系统。在位置感测方法中使用了 RS-485 和 RS-422 收发器以及多轴线性和角度位置传感器。电机类型由于人形机器人用电池供电，因此电机驱动器旨在更大限度地提高效率，从而延长机器人的工作时间范围。当使用高功率级别时，人形机器人可以集成 PMSM 之类的电机。有刷直流电机可用于一些低功耗情况，例如手部控制和手指控制。但是，当前的设计趋势表明，所有电机未来都将是无刷式电机。 PMSM 电机有两种绕组选择：梯形绕组或正弦绕组。对绕组和控制算法的选择会影响电机控制的精确度。电机设计的另一个关键要素是更快地切换 FET，这样就可以使用能提高电机单位重量扭矩的新设计选项。电机控制算法选择电机类型后，用户可以确定控制电机的方法。实现控制回路有多种备选方法，但电机控制通常与图 4 中所示类似，其中显示了所需的模拟子系统和处理器外设。图 4：机器人控制的实时通信时序需求使用图 4 作为通用模板，表 1 列出了在选择算法 FOC 或阻塞换向时所需的外设和性能。表 1：电机控制类型的外设和电路需求不同的 MCU，可满足算法和角度传感器的要求。重要的因素包括 IC 的大小和实现高性能驱动系统的实时能力。在电机控制算法中使用了 C2000 实时微控制器和基于 ARM 的微控制器。功率级要求根据机器人的驱动器位置，功率级别在 10W 至 4kW 之间变化，大多数驱动器在 10W 至 1.5kW 之间。驱动器通常在低于 60V 的 SELV 电压范围内工作。因此，组件必须在最高达 60V 的电压下工作。对于放大器、FET 和栅极驱动器，为了减轻系统中潜在噪声的影响，最好使用最高可在 100V 电压下运行的元件。在定义驱动器的电气规格后，还有其他设计注意事项。可用于实现印刷电路板 (PCB) 的物理尺寸是另一个设计注意事项。小尺寸 IC 和高度优化的功率密度设计对于实现小空间设计目标至关重要。高功率密度会导致机器人的潜在温度限制，在该限制下机器人的外部不得高于 55°C。在 55°C 时，在 30 秒内会发生全厚度皮肤灼伤。温度管理方法不得包括风扇或液体等额外冷却方式。温度管理和空间的平衡促成功率级相对于单位尺寸瓦特数的平衡，这会影响功率级架构。可能需要解决的一个问题是，确定功率级是否需要在更高的频率下工作。这一问题通常出现在 MosFET 中，但与基于 MosFET 的系统相比，GaN FET 等新技术也可提高开关性能。对于温度敏感型系统，与 MOSFET 技术相比，GaN FET 具有更高的理论效率，因为其开关损耗非常低。频率的增加会导致 MCU 需要额外的功能，这样才能支持以足够高的分辨率实现更高频率开关所需的信号发送。 TI MOSFET 栅极驱动器让客户能够以尽可能高的速度开关 MOSFET，而 TI 低压 GaN FET 让客户能够快速比较和考虑机器人中每个位置的最佳 FET 类型。需要使用高性能 MosFET 或 GaN FET 来实现驱动器，从而提高电机效率。精密算法有助于减少电机 FET 的开关需求和损耗。人形机器人由电池供电，供电电压通常为 48V，或者在 39V 至 54V 之间，具体取决于电池的电量状态。使用的电压取决于所设定的最小电池电量级别。前面提到，驱动器在 39V 时所需的最大功率为 4kW，可以看出，机器人驱动器需要在大约 102Arm 的电流下以最高效率工作来提供所需的功率，但同时考虑到 0A 左右的精确测量，在这里缩短 FET 的死区时间还有利于 0A 左右电流测量的线性，让测量在低电流下更加精确。在评估功率级要求和选择适当的电流检测器件以实现所需的性能水平时，电流检测也是一个重要的设计考虑因素。同相电流感测和低侧电流感应模拟选项，以及有关如何高效实现系统的设计指南。通常使用同相电流感测，以便始终能够检测电流并提高测量的精度。有三种不同的电流测量选项：表 2：适用于同相电流测量的典型同相电流感测选项对于电流感测放大器和 Δ-Σ 调制器，由于组件改进，这些技术所用的电流电平缓慢地移动到 100A 左右。 · 电流传感放大器 · Δ-Σ 调制器 · 霍尔传感器 · GaN Fet 功率级 · 栅极驱动器功能安全在规划未来的设计时，选择能够简化功能安全认证的器件非常重要。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 标准阐明了未来对人形机器人的预期。两种 C 类标准（ISO 10218 和 ISO 3691-4）都参考了 ISO 13849，规定系统必须是 PLd。但是，ISO 3691-4 将架构交给实现者来确定，而 ISO 10218 则要求 CAT3 架构。考虑到这些标准中的最糟糕情况，至少需要考虑人形机器人的 CAT3 PLD 安全注意事项。实现 CAT3 系统时，必须采用图 5 所示的安全架构。图 5：IEC13849-1:2015 中的插图图 10 示例系统图 6 中的框图显示了建议解决方案，以使用组件解决 1.5kW 系统设计问题，下面示出了具体可以使用的元件。图 6：示出实现系统可能所需器件的电机驱动器解决方案总结设计人形机器人驱动器需要精准、灵活和创新。
2025-04-10
发表了主题帖：人形机器人 | GaN FET 在人形机器人中的应用

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-15 10:15 编辑从科幻走入现实，人形机器人正经历一场静默而深刻的技术革命：更高效的能源控制、更精准的运动算法、更高速的通信架构、更智能的环境感知能力......这些变革正在重塑机器人的“骨骼”、“神经”与“感官”。从不同方面对人形机器人进行知识解析，本文将讨论GaN FET 在人形机器人中的应用。引言人形机器人集成了许多子系统，包括伺服控制系统、电池管理系统 (BMS)、传感器系统、AI 系统控制等。如果要将这些系统集成到等同人类的体积内，同时保持此复杂系统平稳运行，会很难满足尺寸和散热要求。人形机器人内空间受限最大的子系统是伺服控制系统。为了实现与人类相似的运动范围，通常在整个机器人中部署大约 40 个伺服电机 (PMSM) 和控制系统。电机分布在机器人身体的不同部位，例如颈部、躯干、手臂、腿、脚趾等。该数字不包括手部的电机。为了模拟人手的自由操作，单只手即可能集成十多个微型电机。这些电机的电源要求取决于所执行的具体功能；例如，驱动机器人手指的电机可能只需要数安培电流，而驱动髋关节或腿的电机可能需要 100 安培或更高的电流。与传统伺服系统相比，人形机器人的伺服系统具有更高的控制精度、尺寸和散热要求。本文介绍了 GaN（氮化镓）技术在电机驱动器中的各种优势，并展示了 GaN 如何帮助解决人形机器人中伺服系统面临的挑战。更精确的控制在伺服电机驱动应用中，电机控制通常分为几个控制回路层：电流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高级别的运动控制回路。这些回路通常以级联的形式排列，每个回路都有“实时”处理要求。电流/扭矩回路是速度最快的控制回路。每个上游回路以其之前回路的倍数运行，并为下游回路提供输入参考。图 1 显示了典型的级联控制拓扑。图 1：典型的伺服电机控制回路技术控制回路最重要的部分是电流回路。通常，FET 开关频率与电流回路相同，约为 8kHz 至 32kHz。电流回路的速度直接影响电机控制的精度和响应速度。人形机器人的一个简单动作涉及多个伺服电机的控制。为了协调机器人身体中的近 40 个电机，同时保持系统的稳定性，每个关节的控制精度和响应速度必须满足非常高的要求。可通过提高电机控制回路的速度和 PWM 频率来满足这些要求。例如，100kHz (图 2) 的开关频率可以实现分辨率更高的电机电流，从而实现更小的电机电流纹波和更精确的控制。高分辨率电机电流波形也意味着可以获得更好的正弦电流，这可以提高电机的运行效率并减少电机发热。图 2：100kHz 和 10kHz PWM 电机电流此外，增加 PWM 开关频率可以减小 DC 总线电容器的尺寸和电容。对于要替换为陶瓷电容器的电解电容器，需要满足的总线电容要求降低。伺服功率级 FET 通过 PWM 信号定期从总线电容器汲取电流。当 PWM 频率增加时，每个单位时间消耗的电荷量减小，这意味着所需的总线电容减少。根据 TIDA-010936 的测试，将 PWM 频率从 20kHz 提高到 80kHz 后，可以用电容相等的陶瓷电容器代替电解电容器，以获得相似的总线电压纹波。与电解电容器相比，陶瓷电容器具有明显优势：更小的尺寸、更长的使用寿命、更好的高频特性等。因此，在设计人形机器人时必须考虑速度更高的电流回路和更高的 PWM 频率。对于 MOSFET 型伺服驱动器，PWM 开关频率的增加会带来很大的额外损耗，从而导致驱动器严重发热。当开关频率从 10kHz 增加到 20kHz 时，MOSFET 型驱动器会让总体损耗增加 20%至 30%，这对于人形机器人是不可接受的。此外，GaN FET 在高频下具有较低开关损耗。在 TIDA-010936 测试中，电路板损耗在 40kHz 和 80kHz 下几乎相同，因此 GaN 特别适合高开关频率场景。 3-phase continuous output current (Arms)TIDA-010936 Power Loses (W)024681012141602468101248VDC, 80kHz PWM48VDC, 60kHz PWM48VDC, 40kHz PWM 图 3：TIDA-010936 电路板在 48V 输入电压下的损耗与三相输出电流间的关系减少开关损耗 GaN 之所以能够实现如此低的开关损耗，源于 GaN 器件的特性。GaN 器件具有更小的栅极电容 (CG) 和更小的输出电容 (Coss)，可实现达到 Si-MOSFET 100 倍的开关速度。由于关断和开通时间缩短，可以在较短的范围内控制死区时间，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要约 1us 的死区时间。死区时间的缩短可降低开关损耗。此外，GaN FET 没有体二极管，但续流功能通过第三象限操作实现。在高频 PWM 场景中，MOSFET 的体二极管会导致较大的反向恢复损耗（Qrr 损耗）。第三象限操作还可避免开关节点响铃和由体二极管引起的 EMI 风险，从而降低对高功率密度人形机器人中其他器件的干扰。尺寸更小人形机器人的关节空间有限。电源板通常是直径为 5-10 cm 的环形 PCB。此外，关节必须集成电机、减速器、编码器甚至传感器。重要的是，设计人员必须在有限的空间内实现更高的功率和更稳定的电机控制。与 MOSFET 相比，GaN 具有更小的 RSP（比电阻、裸片面积尺寸比较），这意味着与具有相同 RDSon 的 MOSFET 相比，GaN 具有更小的裸片面积。德州仪器 (TI) 通过集成 FET 和栅极驱动器进一步减小了占用空间。这样可以实现 4.4mΩ 半桥 + 栅极驱动器，并且封装仅为 4.5 x 5.5mm。图 4：LMG2100 方框图以 LMG2100R026 为例。该器件集成了半桥的 FET 和半桥驱动器，可承受 55A 的持续电流。将驱动器与 FET 集成有许多优势，包括：减少了栅极响铃，让运行更可靠减小了电源回路电感并且优化了封装尺寸通过集成栅极驱动器减小了尺寸通过集成的保护功能保护器件为了在设计中比较 GaN 和 MOSFET，我们可以查看提供类似功率级别的 TIDA-010936 和 TIDA-01629 设计。如图 5 所示，由于集成了栅极驱动器并降低了 GaN 的 RSP，整个功率器件的芯片面积减小了 50% 以上。图 5：GaN 与 MOSFET 功率级比较总结人形机器人对控制精度和功率密度的要求较高。GaN 可以在高 PWM 频率下以低损耗轻松实现更高精度的电机控制。GaN 的高功率密度特性与德州仪器 (TI) 的集成式驱动器的特性相结合，可进一步减小尺寸。由于这些优势，GaN 型电机驱动器可能会成为人形机器人的首选设计，带来更高效、更稳定和更智能的机器人设计。除了人形机器人之外，GaN 技术也是其他类型机器人（协作机器人、外科手术机器人、AGV）、工业伺服系统、家用电器和其他需要高功率密度的应用的理想选择。
发表了主题帖：人形机器人的动力源：探索动力电池技术

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-10 08:26 编辑一、人形机器人动力电池发展现状人形机器人动力电池技术在不断发展，2024 世界动力电池大会成为了展示这一领域最新成果的重要平台。在此次大会上，宁德时代展示了全球首款新型储能系统，特斯拉 Optimus 二代人形机器人也精彩亮相，众多企业纷纷展示了动力电池类产品和人形机器人。执行器是人形机器人最核心的部件，类似于新能源车中的动力电池，具备价值量占比高、复用性强的特点。2024 世界动力电池大会汇集了众多国内外企业参展，设立了多个展示专区，涵盖了动力电池和材料、光储技术及应用、新能源汽车及应用场景等多个领域。其中，在人形机器人展区，特斯拉展示的 Optimus 二代人形机器人具备 28 个自由度，能够操作工具并执行有用任务；宇树科技展出的人形机器人 H1 是国内第一台能跑的全尺寸通用人形机器人，拥有 360 度全景深度感知，并通过结合通用 AI 赋能全场景通用应用。本次大会以 “新质动力・创绿未来” 为主题，搭建起动力电池产业发展国际合作平台，促进对接交流、实现互利共赢，推动绿色低碳产业步入新的发展格局。大会包括全球动力电池 TOP10 企业专题会议、全球先进电池前瞻技术专题会议等六大行业高端会议，国内外行业大咖、顶级专家、知名企业家汇聚宜宾，共同就新能源汽车和动力电池产业发展的热点、难点和痛点进行深度研讨，共同推动动力电池产业实现高质量发展。成果展示和展览活动总面积达 5 万平方米，汇集了 9 个国家的企业参展，参展企业和机构共计 256 家。在动力电池类产品展示中，宁德时代展示了全球首款 5 年零衰减且可大规模量产的储能系统 —— 宁德时代天恒。同时，欧阳明高院士工作站、天原集团、东风集团等也展示了各自在动力电池领域的创新产品。展会现场还举办了丰富多样的体验活动，如 “智电有约” 智能网联新能源汽车智驾体验活动、“惠享金秋宜人宜车” 第三届宜宾新能源汽车消费节、Hi 动科普活动等。9 月 2 日，动力电池产业链深度对接活动正式举行，积极促成动力电池产业链供需双方合作，推动产业链供应链协同发展。 2024 世界动力电池大会不仅是全球动力电池产业链供应链的一次盛会，更是推动产业技术交流与合作、加速动力电池和新能源汽车产业商业化进程的重要平台，见证了动力电池、储能、新能源汽车产业链上下游企业的创新产品和技术成果，将共同开启绿色低碳出行的新篇章。二、人形机器人动力电池的关键技术人形机器人动力电池技术的发展离不开一系列关键技术的突破。以下将从多个方面介绍人形机器人动力电池的关键技术。 1. 开发基于人工智能大模型的人形机器人 “大脑” 和 “小脑”，增强环境感知、行为控制、人机交互能力，推动云端和边缘端智能协同部署。人工智能大模型在人形机器人中起着至关重要的作用。通过开发基于人工智能大模型的 “大脑”，人形机器人能够实现更强大的环境感知能力，准确识别周围的环境信息，为后续的行为决策提供依据。在行为控制方面，大模型能够根据感知到的信息进行精确的控制，使机器人的动作更加协调和准确。人机交互能力的增强则使得机器人能够更好地理解人类的指令和需求，实现更加自然和高效的交互。同时，推动云端和边缘端智能协同部署，可以充分发挥云端的强大计算能力和边缘端的实时响应能力，提高机器人的整体性能。 2. 系统部署 “机器肢” 关键技术群，打造仿人机械臂、灵巧手和腿足，突破轻量化与刚柔耦合设计等技术。 “机器肢” 是人形机器人实现各种动作的关键部分。打造仿人机械臂、灵巧手和腿足，需要突破轻量化与刚柔耦合设计等技术。轻量化设计可以降低机器人的整体重量，提高其机动性和能源利用效率。刚柔耦合设计则能够使机器人的动作更加自然和灵活，适应不同的工作环境和任务需求。通过这些技术的突破，可以提高人形机器人的运动性能和操作精度。 3. 攻关 “机器体” 关键技术群，突破轻量化骨骼、高强度本体结构、高精度传感等技术。 “机器体” 是人形机器人的主体部分，其性能直接影响机器人的整体性能。攻关 “机器体” 关键技术群，突破轻量化骨骼、高强度本体结构、高精度传感等技术，对于提高人形机器人的可靠性和稳定性至关重要。轻量化骨骼可以降低机器人的重量，提高其运动效率。高强度本体结构能够承受更大的载荷和冲击力，保证机器人在工作过程中的安全性。高精度传感技术则可以实时获取机器人的状态信息，为控制决策提供准确的数据支持。 4. 构建完善人形机器人制造业技术创新体系，加快人形机器人与元宇宙、脑机接口等前沿技术融合。构建完善人形机器人制造业技术创新体系，需要整合各方资源，加强产学研用合作，推动技术创新和产业发展。加快人形机器人与元宇宙、脑机接口等前沿技术融合，可以拓展人形机器人的应用场景和功能，为人类带来更多的便利和创新体验。例如，与元宇宙技术融合可以实现虚拟与现实的交互，为用户提供更加沉浸式的体验；与脑机接口技术融合可以实现人脑与机器人的直接通信，提高机器人的控制精度和响应速度。三、人形机器人动力电池技术有哪些 1.锂电池以其高能量密度、轻量化和充电效率高的优势，成为人形机器人的核心动力。德赛电池作为锂电池封装行业的佼佼者，正在积极关注锂电池在机器人领域的应用。德赛电池在人形机器人电池方面进行了技术储备，其锂电池的优势在于为机器人提供较大的续航能力、充电时间相对较短且生命周期相对较长。在实际应用中，德赛电池关注如何为不同规模和用途的人形机器人提供动力，例如在医疗护理、家庭陪伴和安保监控等领域，锂电池正好契合这些机器人长时间稳定运作的需求。同时，随着机器人的智能化水平提升，电池的管理系统也呈现出更高的智能化趋势，能够实时监测电池状态，优化能量使用效率，从而延长机器人的工作时间。 2.未来可能会出现高效、环保的固态电池，这种电池在安全性、效率和寿命方面都具有显著优势，能更好地解决锂电池在高耗电情况下的局限性。固态电池具备极高的能量密度，续航能力远超传统电池，体积更小，十分钟即可充满电，使用寿命长达 20 年。在极端气候条件下，固态电池依旧稳定放电，安全性高，极大地提升了人形机器人的效能。例如瑞泰新材研发生产的高能量密度固态电池广泛运用在各种电动工具、大规模储能及各类机器人等领域，为人形机器人减轻重量、缩小体积，极大延长作业时间。中国科学院物理研究所从 1976 年以来就开始研究全固态金属锂电池，固态电池的不断发展会广泛推动关键领域的发展和应用，其中也包括人形机器人，固态电池将支持人形机器人在广泛的领域获得应用。四、人形机器人动力电池未来趋势 1.随着技术的进一步发展，人形机器人动力电池技术有望不断突破，为人形机器人的智能化提升提供更强有力的支持。人形机器人的发展前景广阔，而动力电池作为其核心动力源，技术的不断进步将为其智能化提升注入强大动力。未来，随着科技的持续创新，我们可以期待在锂电池技术上取得更多突破，例如进一步提高能量密度、缩短充电时间、延长电池寿命等。同时，固态电池等新技术的研发也将为行业带来新的机遇。正如德赛电池等企业积极布局，不断探索创新，未来有望在人形机器人动力电池领域发挥更大的作用。中信证券指出，执行器是人形机器人最核心的部件，类似于新能源车中的动力电池，其价值量占比高、复用性强。在未来人形机器人的快速发展过程中，动力电池技术的突破将极大地推动执行器及其核心零部件企业的发展，具备长期投资价值。 2.固态电池有望在人形机器人领域得到广泛应用，推动人形机器人在各行各业的潜在应用。固态电池以其在安全性、效率和寿命方面的显著优势，成为人形机器人动力电池领域的一颗璀璨明星。固态电池具备极高的能量密度，续航能力远超传统电池，体积更小，十分钟即可充满电，使用寿命长达 20 年。在极端气候条件下，固态电池依旧稳定放电，安全性高，极大地提升了人形机器人的效能。例如瑞泰新材研发生产的高能量密度固态电池广泛运用在各种电动工具、大规模储能及各类机器人等领域，为人形机器人减轻重量、缩小体积，极大延长作业时间。德方纳米也表示固态电池技术未来或应用于人型机器人和低空飞行器。同时，随着我国在固态电池领域的不断探索与突破，我国科技产业必将在全球范围内独领风骚，为推动人形机器人在各行各业的广泛应用奠定坚实基础。华为加持固态电池与人形机器人，也显示出固态电池
2025-04-09
发表了主题帖：移动机器人的电源和电机控制解决方案

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-9 08:37 编辑自主移动机器人的电源和电机控制解决方案自主移动机器人（AMR）为不同领域和行业带来了诸多优势，包括提高了安全性和效率。然而，为了使AMR能够安全、独立地工作，这些复杂的系统需要精心集成多项技术，像是电源和运动控制这两个重要组件便至关重要。本文将为您介绍AMR的设计注意事项，以及由安森美（onsemi）所提供的相应解决方案。 AMR的电源与电机控制子系统扮演关键角色 AMR具备和自动驾驶汽车类似的性能，是由一系列子系统构成的复杂设计，机器人能够在尽可能少的人类交互下，安全地移动、观测和运行。要打造灵活而智能的AMR，电源和运动控制技术发挥的作用很关键。随着时间推移，单个系统和组件的选择可对这些先进方案的性能与可靠性产生显着影响。首先，AMR中使用的电源系统和电源组件会对其总电池寿命和工作时长产生重大影响。为AMR设计电源系统时需要考虑能量密度、电压和电流要求、效率、方案尺寸等重要的性能特征和参数。 AMR通常使用锂离子电池，因为此类电池的能量密度高，使用时间长。同时，电源管理单元可调节从电池到其他组件的功率流。电压和电流水平通过开关转换器和稳压器进行控制。AMR中的电池管理系统可监控电池的状态、电量、温度和电流，以确保AMR安全高效地运行，而车载电池充电器的规格取决于电池类型、容量和电压。智能电源模块为电机控制系统提供高功率开关，IPM中的功率开关配有栅极驱动器，用于提供相应的信号来打开和关闭开关，功率因数校正（PFC）控制器则可提升电源系统的总效率。其次，在AMR中，电机驱动型执行器用于移动机器手臂和轮子，因此其选择至关重要。AMR需要采用效率高且紧凑轻便的高扭矩和高速执行器。选择执行器时，需要对无刷直流（BLDC）电机、电机控制器、MOSFET、通用控制器板（UCB）和栅极驱动器等组件进行评估。与有刷电机相比，BLDC电机具有多个优势。BLDC电机的效率高、噪声低且高度可靠，可以减少维护工作，因此被广泛应用于AMR中。然而，控制此类电机需要复杂的算法和适当的驱动器，其中的三相BLDC电机则广泛用于机器人和工业驱动器。电机控制器的功能是精确控制AMR执行器中的电机。这些器件可通过嵌入式控制算法来完全集成，也可使用运行电机控制算法的专用微控制器单元（MCU）。AMR中常见的三相电机则是由功率晶体管使用脉宽调制（PWM）开-关信号驱动。这些开关可由硅或宽禁带材料制成，比如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）。可靠的智能电源与电机控制解决方案安森美提供了众多可靠的智能电源、电机控制和传感方案，最大程度简化了设计的复杂度，为客户的设计提供坚实的基础。从强固、高分辨率的成像系统，到高功率电机控制，再到高效率、紧凑型电池充电方案，这些子系统方案都是建立在安森美深耕汽车行业数十年的经验技术之上。安森美的系列方案能够简化开发流程，并让AMR即使身处最严苛的工作环境也能够快速适应、可靠运行。针对电源应用方面，安森美推出多种PFC控制器非常适合AC-DC电源应用，比如图腾柱无桥PFC前端或基于LLC谐振拓扑的DC-DC级。它们还适用于高电压DC-DC功率级，可在AMR中实现高效率和高密度快速电池充电器设计。在BLDC电机控制解决方案方面，安森美提供包括ECS640A ecoSpin™电机控制器UCB、NCP81075栅极驱动器，以及可用于加速AMR执行器开发的电源板。 UCB是基于Xilinx® Zynq®-7000 SoC的系统级模块（SoM），非常适合精密应用，也可用于先进的人工智能（AI）。此外，安森美提供基于屏蔽栅极沟槽技术的MOSFET（30V至150V），并提供u8FL、SO8-FL、双面冷却和顶部冷却等封装选项。基于T10技术的全新30-40V和80V MOSFET支持低压与中压应用，T10器件分为两大类别，分别用于电源转换和电机控制。用于电机控制的T10M器件提供出色的导通电阻，UIS能力提高10%，并具有优异的体二极管软恢复性能，可降低电压尖峰并解决EMI问题。对于高功率应用中的三相BLDC电机，安森美推荐使用基于PTNG技术的MOSFET（80 V、100 V、120 V和150 V），而NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC和NTBLS4D3N15MC MOSFET可满足高性能应用的要求。高度集成的低功耗三相BLDC电机控制器安森美推出的ECS640A是ecoSpin™可配置电机控制器系列的最新成员，这是一款三相BLDC电机控制器，集成了超低功耗优化的Arm Cortex-M0+微控制器、三个感应放大器和一个参考放大器（NCS20034）、三个自举二极管和一个专为高压、高速运行而设计的高压栅极驱动器，能够驱动工作电压高达600V的MOSFET和IGBT（FAN73896）。 ECS640A的六个栅极驱动器输出为外部电源设备提供350 mA/650 mA（典型值）栅极电流的灌／拉电流。该器件包括霍尔传感器输入，支持有传感器或无传感器操作，三个独立的低侧源极引脚可实现单路或多路分流测量。ECS640A的保护功能包括欠压锁定和逆变器过流跳闸，并具有自动故障清除功能，并提供开漏故障信号来指示已发生故障情况。 ECS640A的直接扭矩和磁通控制（DTFC）固件现已推出，可在Arm Cortex-M0+平台上实现最佳电机性能。客户可直接从Theta Power Systems, Intl获得DTFC代码许可。ECS640A较小的占地面积和集成度，使该器件非常适合分立功率器件，以最大限度地提高跨平台的可扩展性，并随着功率水平的扩展而最大限度地减少面积要求。 ECS640A具有64kB闪存和8kB SRAM的Arm Cortex M0+嵌入式微控制器，支持600V FAN73896栅极驱动器，以及NCS20034的7MHz、高转换速率、轨到轨四路放大器，采用小尺寸SiP，并具有“易于使用”的用户环境。 ECS640A常应用于制冷压缩机和鼓风机、暖通空调（HVAC）鼓风机和冷凝器、泳池水泵、工业驱动器和泵与机器人技术，常见的终端产品包括冰箱、瓶装饮料冷藏柜、消费类空调机组、暖通空调鼓风机、商用空调机组、白色家电与协作机器人等。高性能的双MOSFET栅极驱动器安森美推出的NCP81075是一款高性能双MOSFET栅极驱动器，经过优化可驱动同步降压转换器中高压侧和低压侧功率MOSFET的栅极。NCP81075集成了一个驱动器集成电路和一个自举二极管，使用片上自举二极管来消除外部分立二极管，驱动能力高达4A，适用于驱动在高达180 V电压下运行的高速、高电压MOSFET，其高压侧和低压侧驱动器可独立控制，并且彼此匹配的导通和关断时间间隔为4 ns，并带有匹配的3.5 ns典型传播延迟。 NCP81075可驱动高压侧和低压侧的两个N通道MOSFET，可用于高端栅极驱动的集成自举二极管，其自举电源电压范围高达180V，开关频率高达1 MHz，具备4A拉电流、4A灌电流输出能力，并可以8ns/7 ns的典型上升／下降时间驱动1nF负载，支持8.5V至20V的宽电源电压范围，具有快速传播延迟时间（典型值20 ns）与2 ns延迟匹配（典型值），工作结温范围为-40℃至140℃，支持驱动电压欠压锁定（UVLO）保护功能，当驱动电压低于特定阈值时，强制输出为低电平。 NCP81075采用SOIC−8 (D)、DFN8 (MN)、WDFN10 (MT)封装，这些器件不含铅、不含卤素／溴化阻燃剂（BFR），并且符合RoHS标准，可广泛应用于电信和数据通信、高电压降压转换器、隔离电源、D类音频放大器、双开关和有源钳位正激转换器，NCP81075还可用于太阳能优化器和太阳能逆变器应用。结语 AMR在众多产业中的应用持续成长，然而，复杂的AMR系统需要集成多种不同的技术才能自主、可靠、安全地运行。因此，AMR应用能否成功，取决于设计时间是否选择了合适的技术。安森美不仅可以提供电源与电机控制解决，还可提供各种传感器（图像、温度、LiDAR、旋转运动、可见光通信等），以及照明与通信等完整的产品解决方案，可确保AMR能够充分发挥其潜能，将是工程师开发AMR应用的理想合作伙伴。
2025-04-08
发表了主题帖：变电站巡检机器人电源系统研究

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-8 08:37 编辑变电站巡检机器人电源系统研究变电站运规要求运行人员进行日常巡检工作，每天或定期采集大量的运行数据。这种人工方式存在劳动强度大，容易使人产生厌烦，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向。为了解决这个问题，兼顾变电站的运行方式，变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。变电站巡检机器人采用自主或遥控方式，通过红外热像仪对电气设备、设备连接处和电力线路进行温度检测：使用可见光摄像机对运行设备的外观异常和线路中悬挂的异物进行识别检测；通过分析拾音器采集回来的设备声音，确定设备的运行情况。巡检机器人后台系统对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热、漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。电源系统是为巡检机器人提供动力的心脏部分，电源系统是否正常工作直接影响到机器人内部设备的稳定运行。巡检机器人要在变电站长期值守、完全自治，就必须配备一套自动化水平高、稳定性强的电源系统。本文提出一种状态监测全面，自动化程度较高，交互性好，实用性强，适用于巡检机器人长期自主运行的电源系统。该系统全面监测电压、电流、电量及温度，具有过放、过充、欠压等多重保护，实现机器人内部温度自动调节及电池自动充电，非易失性存储命令执行及异常发生时的状态，能够满足变电站巡检机器人的功能需求。本文详细论述了其功能结构及工作原理，并给出了部分电路原理图。 1.系统设计变电站巡检机器人电源系统功能结构如图1所示。电源系统以单片机为核心，通过外围接口和驱动控制等电路实现状态检测、电源输出及充电过程控制、信息交互等功能。通过串口通信实现与工控机命令执行及状态反馈的交互。通过检测芯片监测电压、电流、电量及温度等信息，实现机器人运行状态的实时监控。保护电池和电路安全，包括对电池过放、过充保护，过流、过压保护和电路短路、浪涌保护等。当检测到电池电压过低时，电源系统上传告警信息并自动切断电池供电，从而防止电池过放。当检测到电池充电电量超过预定饱和值时，电源系统自动停止电池充电，从而防止电池过充，综合运用各种措施保证电池使用安全，延长电池使用寿命。电源系统控制充电机构实现自动充电，通过驱动电路控制继电器组实现电池充电、供电切换和设备电源单独控制。为了便于后续检查机器人运行状态，分析机器人运行故障，以事项形式存储命令执行和异常发生时的电源状态。控制散热风扇和电加热板使机器人本体内部温度达到电池及设备工作的适宜温度⋯。电源模块根据设备电压等级及功率要求，转换分配为各支路电源输出。指示灯显示电源系统通信、电量及支路电源等状态。功能模块设计电池选型巡检机器人的移动属性决定其适合采用无缆化的电池供电。电池的选用通常需要考虑如下几个因素： (1)电压等级：决定了机器人内部设备的电压适用范围； (2)电池容量：决定了机器人的工作时间和续航能力； (3)尺寸和重量：在某种程度上决定了机器人本体的尺寸和重量。根据变电站巡检任务的工作量，设计变电站巡检机器人最高速度为1．5 m／s，连续工作时间最长为3 h。根据机器人内部设备电压及功耗，计算出机器人静态工作电流2A，动态工作电流4A，最大工作电流10A，考虑电池裕量及衰减，机器人内部空间有限及移动设备自重不宜过重等限制，本文选用额定电压25．2 V，容量50 Ah的三元锂电池组。三元聚合物锂电池能量密度大，重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的40％～50％，镍氢的20％～30％。单体电压高，自放电小，每月在10％以下。没有记忆效应，循环寿命高，在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。工作温度范围宽至一20～60℃。循环性能优越，可快速充放电，充电效率高达100％，不含有诸如镉、铅、汞等有害金属物质，对环境无污染。电源状态监测电源状态监测是电源系统的基本功能。主要包括对电池组总电压、电流、电量及温度等基本信息的采集。通过监测电池组的实时状态，实现对电池组的有效控制，提高电池使用安全及效率，延长电池使用寿命。电压、电流、电量检测 DS2438是美信公司推出的单总线智能电池监测芯片，具有体积小、硬件接线简单等优点，便于对电池组运行状态进行监测⋯。本文应用DS2438检测电源状态的原理图如图2所示。DS2438的Vad为电压输入端，DQ为数据读写端。DS2438片内集成有10位A／D转换器，测量范围是0～10 V，分辨率为10 mv。经过采样电阻分压和仪表放大器AD620阻抗匹配后，DS2438可以检测机器人电池、充电器及外供电源的电压值[”。vsens+、vseIls一为DS2438的电流输入端。通过测量采样电阻R2的两端电压，并将测量的电压值送至DS2438的电流寄存器，间接测量电池的输出电流或充电电流。电池电流等于电流寄存器中的值／“096+Rsens)，Rsens为采样电阻的阻值。DS2438利用集成电流累加器(ICA，IIltegmted Current Accumulator)对电池剩余电量进行跟踪。IcA保存着流经电池的总电流，通过与初始电量对比后，就可以得到电池的剩余电量。IcA寄存器存储空间有限，跟踪大容量电池组的剩余电量不够用。可以使用外部非易失性存储器扩展存储空间，提高DS2438跟踪剩余电量的适用范围。温度检测自动充电实时时钟及事项存储为了便于后续检查机器人运行状态，分析机器人运行故障，以事项形式非易失性存储命令执行和异常发生时的电源状态。状态信息主要包括：精确到秒的时间标签、电源状态标志、告警标志、继电器状态、电池充放电电流、外部供电电流、电池启动电压、外部供电电压、电池电压、充电器电压、温度信息等。每条事项记录22个字节，除状态信息外，还包括帧同步、命令字、执行状态、记录总数、事项召唤的起始地址及召唤个数等。集成器件FM31256可以非易失性存储几百条历史事项，为分析问题、排除故障发挥重要作用。蹦31256应用原理图如图4所示。蹦31256采用PC接口，内部具有256kb的串行非易失性存储器n⋯，擦写次数无限次，功耗低。片内实时时钟以BCD(Binary-CodedDecilnal，二一十进制代码)格式提供时间和日期信息，可以通过外部电池或电容供电防止掉电丢失，还可以用软件校准模式提高时间记录器的精确性。另外，刚31256片内有早期电源失效报警模块，PFI引脚电压与1．2 v参考电压进行比较，当PFI输入电压低于该阈值时，PF0引脚输出低电平。PFI信号上升时，比较器有100 Inv(最大)的滞后以降低噪声灵敏度，PFI的下降沿没有滞后。PFo输出可以作为系统判断电池电压的重要依据之一。变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种必然趋势。机器人长期无人化自动巡检，为电网安全稳定运行发挥了重要作用。本文提出了一种应用于变电站巡检机器人的电源系统，对机器人全面监测电压、电流、电量及温度，全面记录历史事项信息，具有过放、过充、欠压等多重保护，实现机器人内部温度自动调节及电池自动充电。该系统状态监测全面，自动化程度高，交互性好，实用性强，适用于巡视机器人长期自主运行。自主水下机器人电源管理系统主要介绍了自主水下机器人的能源系统的设计。通过对几种常见的电池进行分析,最后选择了锂离子电池作为系统的主要能源。提出了一种的电源管理系统设计方案,系统以单片机为核心,充分利用单片机的资源,结合外围的传感器对中设备的电压、电流和温度等信息进行全程监控,并可以通过相应电路对系统进行控制,在系统出现各种故障时可以及时查找并处理故障。 1.电源管理系统主要功能主要功能介绍电源管理系统是能源系统的重要部分,它负责对的能源进行实时的监控和管理。由于大多时刻都是由主电源供电,所以这里只讨论对主电源部分进行的管理。电源管理的主要功能是通过采集各个耗电模块节点的电压、电流、和电池及测试点温度等信息通过计算得出系统剩余工作时间的估计值和系统的工作状态,通过接口与负责决策处理的中央工控机进行通信,通过对每一路情况的分析,为中央控制系统提供决策,同时通过驱动电路控制继电器对每一路分别进行相应的供电控制。在出现问题时应急处理模块启动,对故障进行处理保障顺利返航。电源管理系统结构如图3一2所示。各部分模块功能介绍系统分为四大功能模块数据采集模块、开关控制模块、电量计算模块、应急处理模块。电源管理系统从监控节点采集模拟量输入如电压、电流、温度等,进行电量计算同时通过接口接收工控机的指令,对数据预处理,对开关量如继电器通断状态进行相应操作,在出现故障时调用应急处理模块。（1）数据采集模块数据采集模块负责对电源输出的电压、电流、电池组与工作仓内大功率器件周围的温度等模拟量进行采集和预处理,为系统状态分析提供依据。（2）开关控制模块开关控制模块通过驱动电路控制继电器的开关,从而对每一个耗电设备的电力供应进行管理,同时便于在某一设备出现短路等故障时,不影响其他设备的供电。（3）电量计算模块电量计算模块采用每秒平均电流值作为当前单位时间的电量进行累加。存储下来后,根据电池总电量、己消耗电量和当前工作电流,可以计算出系统所能工作的剩余时间,可为整个系统的运行提供参考。（4）应急处理模块应急处理模块在电池电量不足时,结合电池组电压情况,通知工控机并及时切换备用电源,根据工控机指令关闭相应设备减少电源消耗,同时做好上浮准备。在总电流过流时,系统将关闭所有通路,并进入异常处理模式。在异常处理模式中,电源模块结合各测试点电流、温度值,快速查找出相应的故障通道,检测出并关闭故障通道,并向上级工控机报告状态。 2.电源管理系统硬件设计本文控制器选择ATMEL公司生产8位单片机AT89C52。AT89C52是一个高性能、低电压的COMS 8位单片机,片内含8K bytes的可反复擦写1000次以上的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器,其采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容MCS一51指令系统,足够满足系统设计的要求。 AT89C52正5V供电,有40个引脚,32个外部双向输入输出端口,3个16位可编程定时计数器,同时含有2个外中断口,2个全双工串行通信口,共6个中断源。时钟频率0一24M,2个读写口线,3级加密位,低功耗空闲和掉电模式,可软件设置睡眠和唤醒功能。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的存储器可有效地降低开发成本。电源管理系统连接图如图3一3所示。这里P0口负责各通路开关量控制,输出高低电平通过驱动电路控制继电器;P1口负责电压、电流信号的采集,P2.0口负责温度信号的采集。同时扩展RS232接口进行与工控机的通信,方便接受上位机指令。电压监测电压信号的采集即是对模拟数据量的采集,这里采用T1公司生产的12位ADC芯片TLC2543进行转换。 TLC2543具有11路模拟输入通道、正常温度范围内10us的转换速度、片内系统时钟,采样精度达到12位,线性误差士1LSB Max,片内系统时钟,自动采样和保持,输出数据可以设置单极性、双极性,数据长度、MSB、LSB都可以通过编程设置,外部时钟最高可达4.1MHZ,能提供较高精度且多通道的数据采集功能。信号以串行方式输出,只需要单片机4个引脚就可以对11路通道进行采集。TLC2543的引脚定义如图3一4所示。 AIN0-AIN10:11通道模拟输入。 DATA INPUT:串行数据输入。4位的串行地址选择模拟输入通道或者测试下次将要被转换的电压。串行数据MSB优先,在前4个上升沿被锁存。在四个地址位之后读到地址锁存器里面,I/O时钟驱动剩余的位按顺序排列。 DATA OUT:3态刀转换结果输出端口。在CS为高时输出端处于高阻态,在CS低时使能输出。当CS有效时输出端口从高阻态变为前一次转换结果的MSB/LSB逻辑电平。下一个I/O时钟下降沿驱动输出端变为下一个MSB/LSB逻辑电平(移位),其他数据位按顺序移位输出。 CS:片选,下降沿复位内部计数器和控制器,并使能数据输入、输出和I/O时钟。上升沿在一个设置时间内关闭数据输入和I/O时钟。 I/OCLOCK:输入输出时钟。由于各电压监测节点部分电压各不相同,要转换成TLC2543输入端要求的0一5信号,这里采用分压法,将电压信号经过分压然后接入到TLC2543的模拟输入端。电阻分压器产生一个中间电压接海水地。如图3一5所示。AIN10实时对这个电压进行监测,如果没有漏电漏水这个中间分压器应是预期的电压。如果有故障,该电压一般会被拉高或低。如果出现故障则通知工控机调用紧急处理模块。如果需要,每个负载都可以拥有自己独立的接地故障检测电路。由单片机P1.0一P1.3控制电压检测部分的输入、输出。P1.0口输入方波时钟,P1.1口输入监测的通道和输出数据类型,P1.2读入刃转换器的电压输出,P1.3口输入选通使能。电流监测电流信号的采集也是对模拟数据量的采集,采用LEM公司的电流传感器LTSR25一NP测量实时电流信号。LTSR25一NP是基于霍尔效应的带补偿的闭环多量程电流传感器,采用单极性电压供电,紧凑设计适合PCB安装,具有优秀的精确度、良好的线性度、无插入损耗、最佳的响应时间和抗电流过载能力。额定工作电流为25A,最高可测量电流80A。LTSR25一NP内部结构如图3一6所示。25度下的测量精度可达到士0.2%,完全满足系统设计的要求。 LTSR25一NP输入端有三种推荐连接模式。如图3一7所示。第一种模式是平行连接。这样可以测量最大的原边电流。第二种模式测量额定电流士12A的电流。第三种模式测量额定电流士8A的电流。虽然减少测量范围,但在小电流测量时提高了三倍精度。可以满足不同电流场合的需求。将该电流传感器分布于动力系统的五个电机和DC/DC模块输入端,可把采集到的电流转为0一5V的电压信号输出,然后通过单片机的P1.4一P1.7口所连接的TLC2543转换成数字量,送至单片机。通过各个节点电流量的累加,同时可得到电池产生的瞬时总电流值。温度检测温度检测传感器采用DALLAS公司生产一线式数字温度传感器DS18B20。DS18B20最大特点是独特的电源和信号复合在一起,仅使用一条微控制器口线,即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测量温度范围为一55℃---+125℃,在一10---+85℃范围内,精度为士0.5℃。适用电压为3V一5V,9一12位分辨率可调,含有用户可定义的EEPORM,设定的报警温度存在非易失存储器中,掉电后依然可以保存,每个芯片唯一编码,支持联网寻址,简单的网络化的温度感知,零功耗等待。只含有三个引脚VDD为电源电压供电,引脚GND为电源地线,DQ为数据输入输出。各个节点温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它既可寄生供电也可由外部5V电源供电。外部电源供电模式连接如图3一8所示。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉,而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。可以在单线总线上可以挂任意多片DS18B20进行采集。在寄生供电情况下,当总线为高电平时, DS18B20从总线上获得能量并储存在内部电容上,当总线为低电平时,由电容向DS18B20供电。如图3一9所示。这里采用外部电源供电模式。这里将其用一根系统总线连接于单片机P2.0口。将其分布于电池组和其他大功率器件附近,实时的对整个AUV系统的温度进行监控,为电源管理系统分析系统故障提供依据。串口通信串行通信在工业控制中非常重要,其中作为标准输入输出接口之一的RS一232C标准,已广泛应用于微机之间的通信、工业控制系统的远程数据传送等方面,有着广泛的应用价值和较高的研究价值。数据传输速率在0一20kb/s范围自主水下机器人能源与动力系统设计内。由于RS一232C标准对逻辑电平的定义为逻辑“1”的电平信号电压范围一15V一3V,逻辑“0”的电平信号电压范围+3V--+15V,高低电平用相反的电压表示至少有6V的电压差,极大提高数据传输的可靠性。由于单片机采用TTL,电平标准,因此在于工控机上采用RS一232C标准的接口通信时,需要进行电平转换,相关技术己经很成熟这里就不详细介绍。采用专门的转换芯片MAX232C,具体电路图如图3一10所示。TXD、RXD分别与单片机第11和10引脚相连。 3.电源管理系统软件设计根据设计要求,电源管理系统的软件总流程图如图3一11所示。 AUV下水前,系统上电后首先进行系统的初始化,这时各个设备处于关闭的状态下,数据采集模块依次对各个节点的电压情况进行检查,然后对漏电流情况进行测量,如果出现异常超过设定的闭值,则调用异常处理子程序,找出故障点,启动蜂鸣器报警同时等待工控机决策。便于在AUV下水前及时发现潜在问题。如果整个AUV电源系统正常,则下水后通过中断接收工控机的指令,根据工控机要求开启相应的设备,关闭长时间不用的设备,满足AUV整体低功耗的要求。并对各个测试点的电压、电流、温度情况进行实时监测,出现异常调用异常处理子程序。 A/D转换子程序由于电压量电流量都需要TLC2543进行A/D,这里对A/D的子程序进行讨论。因为AT89C52不带SPI接口,需要软件模拟,12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入,同时控制字从DATA IN引脚按位在时钟信号的上升沿送入TLC2543,同时上一周期转换结果,从DATA OUT引脚按位输出。TLC2543收到通道号的第4个时钟信号后,开始对选定通道进行模拟量采样。在第12时钟下降沿对本次采样的模拟量进行转换,存储在寄存器中,待下一个工作周期输出。因此在程序第一次采样输出的数据是无效的,应当舍去。信号采集子程序如下: 为了提高测量的精度,减小测量误差,对各个测量值采用多次测量求取平均值的软件滤波方法。模拟量测量时,同一时间连续测量多次,对测量值取平均,获得最佳的测量结果,防止因为模拟量的波动使得系统出现误操作。电量计算对于电量的检测由前面的分析可以知道,库仑计数法是对流出电池的电流进行积分的。然后通过总电量减去已经消耗的电量进而求得剩余电量,具体公式如下所示 Qr为剩余电量,q1为电池标称电量,即在约定电流和温度下处于理想状态时的所能放出的电量,Qt为己经使用的电量。K为电量加权系数。这种方法对于刚刚充满电量的新电池而言是很有效。但随着电池老化和自放电这种方法就显得不那么有效了。我们无法对自放电速度测量,通常用一个预定义的自放电速度公式来对其进行校正。这种方法并不是很精确,因为不同的电池自放电速度各不相同,其模型不能适用于所有的电池。另一个缺点是电池在完全完全充电以后立即进行完全放电才能对电池的总容量进行更新,进而使得实际电量在完成更新前可能会大幅降低。开路电压法是利用电池的电压与充电状态之间的相互关系进行电池电量监测的。这种方法只有在未对电池接入负载即电路开路时,电池电压才与充电状态或电池电量有很高的关联性,如果接入一个负载后,电池内部阻抗就会在其两端产生一个压降,电池的端电压在其放电过程中变化较大。使得我们无法在运行过程中利用端电压估计电池的剩余容量,这样就会产生较大的误差。在这里综合这库仑计数法与开路电压法的优点,进行以下的设计。首先采用开路电压法,因为当电池断电后,其端电压随着时间的推移会逐渐趋于稳定,这时的端电压与其容量的关系较为明确。在每次系统上电时,各个部分设备还没有运行时,根据电池上电时的开路电压情况参照电池放电曲线如图3一12所示设置相应的电压电量对应表,可以采用查表的方式得到开路电压所对应的SOC值,然后对当前的SOC做一定的修正和补偿,计算出的剩余电量。在系统工作后采用库仑计数法即由式3一2表示的方法对电池的电流进行实时监测通过积分求出系统消耗的电量,最后由3一1式得出当前系统的剩余电量。这样能够给出电池任意时刻的剩余电量值,便于我们对电池的电量进行长时间的记录和监测。系统可以将当前状态数值传送给工控机存储,便于通过分析实时的电压、电流与SOC的关系对今后的设计提供帮助。当剩余电量达到100Ah时候,电源管理系统通知机器人准备返航。温度采集 DS18B20的一线工作协议流程是:初始化--ROM操作指令--存储器操作指令--数据传输。具体的温度采集子程序流程如图3一13所示。主机控制DS18B20完成任何操作之前必须先初始化,通过信号线向DS18B20发送一个满足特定时序的负脉冲(480us一960us的低电平),接着主机释放总线进入接收状态, DS18B20检测I/O引脚,如未检测到高电平信号则主机重发复位脉冲,直到检测到I/O引脚上的上升沿之后,等待15一60us,然后发出存在脉冲(60一240us的低电平)。初始化成功后信号线上的所有的芯片都被复位。系统初始化程序如下: 接下来,用户通过信号线,发送一个特定的64位序列号编码。只有编码一致的DS18B20芯片才被激活进行采集。在用户发送序列号访问命令选定特定DS18B20芯片后,被选中的芯片便可以接受内存访问命令。单片机通过接口读入相应的温度值。主要介绍了自主水下机器人的能源系统的设计。通过对几种常见的电池进行分析,最后选择了锂离子电池作为系统的主要能源。提出了一种的电源管理系统设计方案,系统以单片机为核心,充分利用单片机的资源,结合外围的传感器对中设备的电压、电流和温度等信息进行全程监控,并可以通过相应电路对系统进行控制,在系统出现各种故障时可以及时查找并处理故障。同时综合开路电压与库仑计数法的优点,提出了一种实时准确检测电池剩余电量的方法,在电量不足是及时通知中央控制系统采取措施,具有很好的实用价值。智能家庭清扫机器人充电站的研究智能家庭清扫机器人系统由机器人和充电站两部分组成。机器人主要负责清扫地面，同时具有自动清扫，遥控控制，自动避障，检测台阶和楼梯，自动返回充电站充电，定时作，过流检测等功能；充电站主要负责与机器人的无线通讯，发射召回信号，对机器人进行充电。 1.家庭清扫机器人的结构组成智能家庭清扫机器人的总体结构如图 2-1 所示。智能家庭清扫机器人系统由机器人和充电站两部分组成。机器人主要负责清扫地面，同时具有自动清扫，遥控控制，自动避障，检测台阶和楼梯，自动返回充电站充电，定时工作，过流检测等功能；充电站主要负责与机器人的无线通讯，发射召回信号，对机器人进行充电。 2.通讯方式的选择通讯是指对具有一定距离的被控目标实施控制。按照传递通讯信号媒介不同，通讯技术可以分为无线通讯和有线通讯。有线通讯一般是利用金属导线或者光纤作为传输媒体，而无线通讯是利用无线电、红外光波、超声波等作为载体，不用导线，而在空间传输，所以实用价值比有线通讯更大。无线电通讯具有距离远并能够穿过墙壁等固体障碍物工作的特点，但也由于它会穿透墙壁，就有可能会干扰到其它用户和设备，同时它还易受其它电磁波的干扰，从而导致了误动作多、可靠性差。与无线电通讯相比，超声波通讯比较简单，其传播时有一定方向性和反射特性，因此它也被广泛使用，但其缺点是易受室内外超声波辐射干扰，并且各种声源的干扰均可能引起误动作。与以上两者相比较，红外通讯是目前最为广泛使用的通讯方式，它利用红外通讯器产生的红外线作为在空间传递信息的媒介，从而实现与设备之间的远距离通讯。利用红外光进行通讯具有以下特点： (1)频率高，波长短，所发射的能量集中； (2)红外线是人的肉眼看不见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，且对人体没有伤害； (3)传播范围不受局限，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必就频谱资源问题向有关部门进行申请和登记，易于实施； (4)具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，左右偏差不超过一定角度的时候，红外装置运行效果最好； (5)目前产生和接收红外信号的技术己经比较成熟，组件体积小，成本低； (6)制作简单、易于产生和调制等优势。基于以上的分析，选择红外无线通讯。 3.智能家庭清扫机器人充电站的设计方案根据充电站总体功能的要求，研究确定了对接充电站硬件及软件的总体设计方案如下。系统硬件设计系统硬件结构如图 2-2 所示，主要由 5 个部分组成：单片机及其外围电路、专用遥控器、充电控制器、电源、红外线发射模块。 (1)单片机及其外围电路用户通过充电站上的按键来控制其工作，单片机根据用户的指令和机器人是否在站内充电来点亮相应的指示灯（红灯为工作指示灯，绿灯为快速充电中指示灯）。将红外编码信号的数据存储在内存中，在红外通讯中根据所要发射的信号类型来读取并输出信号同时再输出 39KHz 的载波信号供给红外线发射控制器使用。 (2)红外发射电路根据单片机输出的编码信号和载波信号来驱动红外发光二极管发射相应的信号。为了满足机器人对接充电的需要，将 F2B（对接信号）与其它的信号通过不同的发光二极管输出，为了增加充电站与机器人的通讯覆盖面积将 F1B（导航信号）发射管设计为 4 个并联。 (3)专用遥控器在使用充电站与机器人的通讯功能的时候，由于机器人是在整个室内移动的，而红外的穿透性是比较差的，这个时候一个遥控器就显得很有必要了。它利用和充电站一致的红外通讯协议来实现对处于任意位置机器人的前进、后退、左转、右转和召回的操作。 (4)电源模块充电站的供电电源是 220V 交流电，电源模块的作用在于将220V 的交流电转换为供给电池充电用的 19～22V 直流电，在通过稳压芯片供给控制系统 5V 的直流电。利用 KBL406（4A 的桥式整流电路）完成 220V 交流到直流的转换，并利用电容滤波形成直流脉动电压，再由 W7805 输出+5V来供给单片机应用系统。如图 2-3 所示。 (5)充电控制器机器人使用的是 10 节 1.2V/4000m Ah 的 Ni-MH（镍氢）电池。充电控制器采用快速充电率对电池充电，并在电池充足电后进入涓流充电模式，利用 BQ2002F（CMOS 镍氢/镍镉电池充电控制器）来实现。系统软件的设计充电站系统软件的设计包括以下 3 个方面： (1)红外线的通讯协议的制定及实现。 (2)红外线发射和接收应用程序设计，其中包括充电站和遥控器中的红外发射子程序，机器人本体的红外译码子程序。 (3)专用遥控器及充电站上按键控制开发。 4.充电站的单片机系统设计单片机系统是充电站的重要组成部分，负责读取用户的指令并向红外发射电路输出其所对应的编码信号。单片机的选择对于一个单片机应用系统来说，单片机的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择的合适，单片机应用系统就会显得经济而又可靠；如果选择不当，将出现两种情况，一种是选择功能过强的单片机从而造成资源浪费，性能价格比下降；另一种就是选择功能过少的单片机，使单片机应用系统无法完成控制任务，达不到预先设计的功能。在单片机选型时，应把握以下三个原则： (1)芯片含有略大于设计要求的功能和 I/O 端口数量； (2)设计需求尽可能用芯片完成，少用外围器件； (3)尽量选用性价比高的品牌产品。选用了美国 SONIC 公司的 SNC5A8，其组成结构如图 3-1 所示。 SNC5A8 的主要特性如下： (1)单电源供电 2.4V～5.5V； (2)38.5KHz 红外载波信号； (3)两个独立的声音通道； (4)内置 PWM 直接驱动电路和固定电流 D/A 输出； (5)系统时钟：2MHz； (6)低电压复位。控制系统的组成 (1)时钟电路 SNC5A8 接收 RC 特性的振荡器作为系统时钟，这就简化了电路的设计。选用合适的电阻代替一般单片机系统中的阻容网络可以得到2MHz 的时钟信号。 (2)红外载波的加入 P33 脚通过方式设定可以输出 38.5KHz 的调制信号，也可以设定为逻辑 1,以便该引脚作为普通输出引脚，其内部结构如图 3-2所示。 (3)内存的扩展系统需要存储多达 50 种组合的红外信号的编码格式，这时 SNC5A8 的 10384×bit 的 ROM 就不能满足需要，这里外扩了一个存储容量8128 ×bit 的数据存储器 W27C010。单片机的系统扩展是通过单片机的片外引脚进行的，片外引脚呈现三总线结构，即地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB) 。根据系统的需要，设计地址总线 7 位，数据总线 8 位，由于只有一个 W27C010 外扩芯片，控制总线一直处于使能状态，这样就构成了 SNC5A8 外围存储扩展系统，单片机系统具体的电路图如图 3-3 所示。 5.充电控制器家庭清扫机器人的电源采用圆柱型密封镍氢电池。它由正极板、负极板、隔板、安全排气孔等部分组成。正极板的材料为 Ni OOH，负极板的材料为储氢合金。当镍氢电池过充电时，金属壳内的气体压力将逐渐上升。该压力达到一定数值后，顶盖上的限压安全排气孔打开，因此可以避免电池因气体压力过大而爆炸。 Ni-MH 电池的主要特性在常温(20℃)下，采用 1C（C 表示电池的标称容量）、0.2C 和 0.5C 充电速率时，电池电压随充入电量的变化规律如图 3-4 所示。镍氢电池充足电后，电压基本上保持不变，开始充电时，电池电压出现很小负增量。通常采用 1C 充电速率时，70min 以内，镍氢电池可以充足电，采用 0.2C 充电速率时，充电时间约为 7h。在常温（20℃）下，采用 3C、1C 和 0.2C 放电速率时，镍氢电池的电压随放电容量的变化规律如图 3-5 所示。由图可以看出，采用 0.2C 放电速率时，电压下降到 1.2V 时，镍氢电池已放出标称容量的 90%以上。采用大电流（放电速率为 3C）放电时，电池电压降到 1.2V 时，放出的容量还不到标称容量的20%。应当说明，镍氢电池的自放电率很小，在常温下，镍氢电池充足电后，放置 28 天，电池容量仍能保持在标称容量的 75%～80%之间。镍氢电池快速充电特性如图 3-6 所示。充足电后，电池电压开始下降，电池的温度和内部压力迅速上升。为了保证电池充足电又不过充，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法。充电控制器设计为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，结合自身的特点，选用 BQ2002F 来构成对负电压增长率和最长充电时间同时检测的控制器。BQ2002F 快速充电集成电路是一种廉价的 CMOS 镍氢/镍镉充电控制器，电池充足电后，能够可靠地终止充电。采用可控的限流或恒流源，BQ2002F 不仅可以制作质优价廉的独立充电器，也能够制作机内充电器。该芯片可实现单只或多只镍氢/镍镉电池快速充电。为了保证充足电，快速充电结束后，还可增加补足充电过程。充足电后，为了补充因电池自放电而损失的电量，充电器将自动转入涓流充电过程。涓流充电速率可根据电池自放电的程度来选择。接入充电电源或者更换电池后，快速充电过程开始。为了保证安全充电，当电池的电压和充电时间到达一定的极限值，快速充电过程即结束。快速充电结束后，自动转入可选择的补足充电和涓流充电，涓流充电的速率可以预先设定，利用 INH 脚可以封锁快速充电。为了减小功耗，充电器在备用工作状态下，BQ2002F 工作于低功耗状态。 BQ2002F 构成的充电控制器的电路原理图如图 3-7 所示。充电站充电控制器的功能如下： (1)定时控制 BQ2002F 内部有个定时器，可通过 TM 端外接不同电平实现三种定时时间，三种状态的充电特性如表 3-1 所示。充电站中将 TM 端接分压电阻来选择第一种模式。 (2)电池电压检测 BQ2002F 的 BAT 端是电池电压检测端（电池电压是否超过允许最大值及检测 ∆− ）。在多个电池充电时，BAT 检测的为 R1、R2 组成的分压器的输出。R1、R2 与充电电池数 N 之间的关系为 R1/R2=N-1 。另外，由 R1、R2 组成的分压器的总阻值必须大于 200kΩ。由于所用的电池数为 10，选 R2 为 51K，则 R1=51K×9=459K，取标称值 R1 为 470K。 BQ2002F 的 CC 端为充电控制端。充电电流由三端可调稳压器 LM317T 组成恒流源提供 I=VREF/R=1.25V/0.625 Ω=2A，采用 4 个 5.2Ω 电阻并联来实现。受 CC 端控制，它内部有一个开关管，当开关管截止时，CC 端呈高阻抗，LM317T 通过 R4~R7、D1 向电池充电；当开关管导通时，LM317T 通过R4~R7、R5 及开关管形成回路，D1 的正极电压很低，停止充电。 BQ2002F 的 5V 电源由DCV 经限流电阻 R7、Q2 及稳压二极管 D2 稳压后提供，DCV 的值由电池数 N 决定， VDC≥18.5V ，取VDC 为19V~22V 的脉动电压。LED 为快充指示灯（绿色），当充电进入慢充或涓流时该灯并不显示，因此在使用时当灯熄灭后应适当再延长充电时间，以便电池得以充足电。 (3)温度检测由于电池是装在机器人内部的，在充电的时候并不与充电站之间有直接的热传递，因而在充电站内部的温度检测就没有意义了，这里将 TS 直接接高电平，不使用 BQ2002F 的温度检测控制功能。 6.供电电源充电站和其它家电一样通过 220V 交流电来工作的，而系统中元器件是工作在直流电压下的，这就需要能提供系统工作所需参数的直流电源。根据上一节中充电控制器的设计可以得知，电池所需充电电压要求大于18.5V，且是使用恒流源来实现充电的，电压则是可以在一定范围内波动的。这就可以省略一般仪器中使用的稳压电源，从而简化了电源的设计。这里设计了供电范围在 19V～22V 之间的充电电源，电路如图 3-8 所示。 7.红外发射和接收电路的设计红外发射电路的设计红外发射电路主要由红外发光二极管、调制电路和驱动电路组成，其功能是将存储在单片机中的对应按键的指令码通过发射电路传送给接收电路。红外发光二极管的选择红外发光二极管是只有一个 PN 结的半导体器件，它与普通二极管结构原理和制作工艺基本相同，只是所用材料不同。制作红外线发光二极管的材料一般为砷化镓(Ga As)、砷铝化镓(Ga Al As)等，制作好后采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。在此选用圆形封装的发光管，其视角小，发射距离远。为增加发光强度，可以放置多个红外发光二极管。根据需要选用了台湾慧创就公司生产的两款红外发光二极管，其特性参数如表 3-2 所示。二者的区别在于光功率和半功率张角大小，在使用时由于对F1B 和 F2B 发光范围不同要求就在这点区别来实现。其中， F1B 选用IE0520HP，F2B 选用 IE15KA。红外调制及驱动电路设计从各种遥控编码电路或者单片机直接输出的编码信号，一般频率低，不便直接发射，并且抗干扰能力差。针对编码信号的这些特点，一般是将编码信号“装”到频率较高的载频信号上，这个“装”的过程称为二次编码也称调制。在调制电路中，载波信号的频率要远大于编码信号的频率，一般为几倍到几十倍。现在载波频率通常采用 38KHz～40KHz。采用这种方式的另一个好处就是提高了红外遥控系统的抗干扰性能。由于发射管发出的是脉动红外光，且具有特定的变化频率，而日光、灯光等光线都没有这些特性，因此通过接收电路可以使它们和红外光分离，滤掉有干扰作用的杂光，这样就保证了红外遥控系统在日光或者灯光下能可靠工作。调制过程的波形信号如图 3-9 所示。在这里由于选用的 SNC500 单片机是带有 38.5KHz 载波输出功能，这就省去了一般红外发射电路中的红外载波振荡器电路，驱动电路如图 3-10 所示。图 3-10 中 LED1～LED4 输出的 F1B 和召回信号，LED5 只输出 F2B 信号。将F1B 与 F2B 的发射电路分开的目的在于，二者由于功能的不同而要求不同的发射范围。如果使用同一发射电路，后面的处理就变得异常艰难，这里就使用不同的发射电路，从而便于后面光学装换电路的不同处理。光学转换红外线在空中传播时会不断衰减，这将影响到红外信号的作用范围。当红外光从红外发光二极管输出时，入射到光敏器件表面的辐射入射量 E (r)反比于两者距离的平方，即：随着距离的增加，红外辐射急剧下降。根据式 5-1，辐射入射量 E(r)在r=d 处为 E(r)，而在 2d 处，E(r) =1/4E(d)。为了提高辐射入射量，得到更长的传输距离，把光学透镜置于红外发射二极管前，如图 3-11 a)所示。当把红外发光二极管放在透镜焦点上时，将改变发射角度，使距离为 r 处的辐射入射量E(r)接近等于距离为 d 处的入射量 E(r) ，这样可以使传输距离显著增加。传输距离的增加是以缩小覆盖范围为代价的，而在本系统中对红外信号的距离和散射角度都是有要求的，这里就使用凹透镜来扩大散射角度，如图 3-11 b)所示。充电站上 F1B 的 4 个发射管分别做以上的两种处理，这样既可以增大传输距离也可以扩大散射角度。F2B 的发射管则是装在一个内部涂黑的管子里，使其传输距离和散射角度均减小，以提高对接精度。充电站发射管的外观图如 3-12 所示。其中上两个透镜为凸透镜、下两个透镜为凹透镜，均 F1B 和召回信号的输出。下面的孔为F2B 的输出口。红外接收电路红外接收电路的作用就是将红外通讯信号接收过来，通过放大、限幅和滤波，解调为原始信号后再发送给单片机进行处理。以往的接收电路都是由红外接收二极管与放大电路组成，而放大电路通常又是由一个叫 CX20106A 或者 KA2184 的集成块及若干电阻电容等组件组成。这样的接收电路联机焊接点较多，使用不够方便。机器人采用了一种用于红外遥控接收的小型一体化接收头 PIC1018SCL，它将红外接收管与放大电路集成为一体，这样做的优点是它体积小(大小与一只中功率三极管相当)，密封性好，灵敏度高，抗干扰性好并且价格低廉(市场售价只有四元钱左右)，可以说是接收红外信号的一种理想装置。 PIC1018SCL 仅有三个管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在 2.4～6.5V 之间，只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用十分方便。它的主要功能包括放大、选频、解调几个部分，需要注意输入信号必须是已经被调制过的信号，而输出则是经过 SFH506-38 接收放大和解调后的原始信号，且红外接收头的输出有反向作用，即发射代码和接收代码是反向的，输出电平则兼容 TTL，CMOS。 PIC1018SCL 的输出信号接到单片机 I/O 脚上，以完成对红外编码信号的译码工作，要特别注意的是它的输出是反向的。 8.专用遥控器一般的设备上均有面板，其上有按键、旋钮等用来设定设备的工作状态或功能，家庭清扫机器人的充电站也不例外。它所使用的红外通讯协议与充电站是相同的，因而整个单片机主体系统是相同的；根据遥控器的特点，发射电路只采用简单的单管电路，键盘部分电路如图 3-13 所示。整个充电站的发射控制是相同，异处在于遥控器中除了具有前进、后退、左转、右转、召回功能以外，为了方便调试还加入了 F1B、F2B，同样使用两组发射管，考虑到遥控器的体积和两组发射管都是采用单管的形式。采用 3 节碱性电池共 4.5V 来供给遥控器使用。在按键的处理上，使用列扫描的方式来实现键值的读取。在无操作时 P1口为高电平，P20、P21 以交替的低电平进行扫描，这时其对应列线在有键按下时，相应的行线就为低电平，从而捕捉到按键值。在遥控器的外形设计上采用现有一款玩具遥控器的控制面板，具体外形如图 3-14 所示。图 3-14 中，单独的二极管为 F2B 所对应输出，中间的发射管为其它信号对应的输出。这样的遥控面板是经过专业设计和市场考验的，具有一定的通用性和合理性，在产品研发过程中使用这个方案可以减少研发的周期，同时也更符合市场用户的使用习惯，有一定的优越性。
2025-04-07
发表了主题帖：说下机器人电路系统设计

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-7 08:35 编辑一台功能完备的竞赛机器人，通常由机械结构、硬件电路、嵌入式程序三部分组成，其中电路是程序的硬件载体，是连接程序和结构的桥梁。在搭建实体电路之前，需要先通过计算设计出电路系统框架，再根据框架进行各部分回路的具体设计。这里简单地讲解一下基本电路框架的设计思路。一台机器人的电路系统通常由：①电源系统 ②主控单元 ③通信总线三部分组成。电源系统机器人上搭载的器件有：有刷电动机、无刷电动机、无刷电调、电磁阀、舵机、单片机等 IC 以及多种传感器。每种器件的供电电压都各不相同，而机器人电源（通常为锂电池）却只能提供单一的电压，所以需要电源转换电路，常用的降压型电源分为两种：开关电源线性电源 ① 开关电源（DCDC 电源）通过对高压电源进行斩波整流而得到低压电源，具有转换效率高（一般高于 90%）、热损小、输出功率大（可达数百瓦）等优点，但是外围器件多，电路复杂，电磁噪音放射高。开关电源电路 ② 线性电源（LDO 稳压器）通过自身内部稳压管将输入、输出间的电压差耗损掉而达到稳压的效果，具有电路简单和电磁噪音低的优点，但是输出功率小（一般不高于 5W）、发热量大、转换效率低（一般不高于 80%），且输入与输出间的电压差不能太大。线性电源电路线性电源电路因此，在设计时，要先计算电路系统中所有器件的功耗，对于大功率器件（如舵机），选择符合功率要求的开关电源；对于低功率器件（如单片机）选择线性稳压器。电源芯片有“最大容许电压”和“最低动作电压”的限制，高于最大容许会导致芯片烧毁，低于最低动作电压则芯片不能工作，使用前应仔细阅读芯片数据手册。除此之外，线性稳压器通常还有“最大压降”这个参数，即输入值和输出值的最大差值，超过限定会导致芯片严重发热甚至烧毁。另外，由于标称 24V 的锂电池满充电压为 25.2V，所以在选择元器件时要格外注意。 TOE 常用的电源 IC 有以下几种：类别名称生产商最低动作电压（V）最大容许电压（V）输出能力（mA）开关电源 MP2482DN MPS芯源半导体 4.5 30 5000 开关电源 MP2456 MPS芯源半导体 4.5 50 500 开关电源 LM5117 TI 德州仪器 5.5 65 TBD① 线性电源 MIC5205 MIC 微芯 2.5 16 150 线性电源 78M05 ST 意法半导体 5.5 35 500 注 ①：LM5117 为 MOSFET 外部接续型，输出能力由外部 MOSFET 决定，可达数十安关于电源回路具体的方案设计，将在下次进行详细讲解。主控单元主控单元是机器人的大脑，是嵌入式程序执行的场所，分为嵌入式微处理器和微控制器两种，后者通常称为单片机（MCU）。目前常见的单片机内核架构有：8051、AVR、ARM 等等，我们常用的是基于 ARM 架构的 Cortex-M 微控制器架构，另外也有基于 Cortex-A 的多核心处理器。我们常用的主控单元如下： ATMEGA2560 STM32F103C8T6 STM32F427IIH6 名称厂商核心引脚数工作频率 ROM容量 ATmega2560 Atmel 爱特梅尔 AVR 100 16MHz 256KB STM32F103C8T6 ST意法半导体 Cortex-M3 48 72MHz 64KB STM32F405RGT6 ST意法半导体 Cortex-M4 64 168 MHz 1MB STM32F427IIH6 ST意法半导体 Cortex-M4 176 180MHz 2MB 妙算Tegra K1 NVIDIA 英伟达 Cortex-A15×4 -- 2.3GHz 16GB 选择控制单元的最主要指标是性能需求，如果用作机器人上某一功能模块的控制或是少数传感器数据的采集，采用前两者即可（绿色）；对于机器人整体的控制，需要运行大量算法程序，或是需要连接大量传感器时，我们通常使用更高性能的两种单片机（蓝色）；对于更复杂的程序，如机器视觉和卷积神经网络等，就需要使用搭载嵌入式处理器的微型计算机（橙色）。另外，还需要考虑电平逻辑、引脚数量、支持的通信总线种类及数量、特殊外设接口等等。比如 ATmega2560 是 5V 逻辑电平，没有 CAN 总线寄存器，I2C 和 SPI 总线也只有一条，而 STM32F103C8T6 是 3.3V 逻辑电平，与 5V 设备通信要考虑兼容性。通信总线每台机器人都拥有很多个功能模块，每个模块都有一个独立的控制单元，要想协调好这些模块之间的功能，各个控制单元之间就需要进行通信，控制器间的通信是依靠通信总线来完成的。通信总线其实就是按照特定的通信协议传输信号的线缆。名称类型线数通信带宽 (bps) UART 异步串行总线 2 几十至几百Kbps USART 同/异步串行总线 2 几十至几百Kbps I2C 同步串行总线 2 100k / 400K /3.4M SPI 同步串行总线 4 300K~50M CAN 差分串行总线 2 3K~1M 通常我们根据我们所要发送的数据量来决定选择总线类型。如果所选择的总线带宽不够，就会发生通信中断或延迟，控制的实时性下降。表格中的几种数据总线中 CAN 总线的抗干扰能力最强，适合远距离传输。所以为了保证通信质量，机器人上各大模块之间的通信总线使用 CAN。而各个模块与自己附近传感器之间的连线，可以使用其他数据总线。这就是机器人电路系统基本框架的构想设计，根据需要选定合适的电源、控制器和通信总线之后，就可以进行详细设计了。下次将进行的关于电源电路设计的具体讲解。
2025-04-03
发表了主题帖： “机器人心脏”：FPGA如何成为智能机器人的大脑？

本帖最后由 Openying123 于 2025-4-3 08:49 编辑在当今快速发展的技术环境中，机器人技术已成为制造业、医疗保健、农业和物流等各个行业自动化的基石。随着对更智能、更快速、更高效的系统的需求，工程师和开发人员不断寻求提高机器人性能和能力的方法。这正是现场可编程门阵列 (FPGA) 发挥作用的地方。FPGA 以其多功能性和实时处理能力而闻名，它通过提供精确处理复杂任务所需的计算能力和灵活性，正在改变机器人行业。与CPU 和 GPU 等传统处理器不同，FPGA 可以定制以满足特定的硬件要求，使其成为解决机器人独特挑战的理想选择。它们可以实现实时数据处理、低延迟决策以及对各种机器人功能的有效控制。在本文中，我们将探讨 FPGA 如何通过推动自动化进步和突破机器人能力的界限来彻底改变机器人技术。为何机器人要采用 FPGA？ FPGA（现场可编程门阵列）以其独特的灵活性、实时处理和并行计算能力组合成为先进机器人系统的关键推动因素。与遵循预定义架构的传统处理器（如 CPU 和 GPU）不同，FPGA 允许开发人员配置硬件以满足特定的应用需求。这种适应性使它们特别适合机器人面临的苛刻任务，在这些任务中，精度、速度和实时响应至关重要。 1.并行处理能力 FPGA 的突出优势之一是能够同时执行多个操作。在机器人系统中，机器人系统通常依赖于来自各种传感器（例如摄像头、激光雷达或 IMU）的输入，这种并行性使 FPGA 能够实时处理大量数据。这种能力在物体检测、自主导航和运动控制等应用中至关重要，因为即使是最轻微的延迟也会影响机器人的性能。 2. 实时应用的低延迟 FPGA 专为低延迟处理而设计，这意味着它们可以以最小的延迟处理任务。在机器人技术中，这对于实时控制系统至关重要，因为机器人必须对不断变化的环境做出即时反应。例如，在自主无人机或机械臂中，FPGA 处理来自传感器的即时反馈，以确保平稳导航或精确移动，避开潜在障碍物或以瞬间精度进行微调。 3.可定制的硬件 FPGA 提供的定制化程度是传统处理器无法比拟的。开发人员可以根据特定的机器人任务定制 FPGA 硬件，优化性能、能效或两者兼而有之。这种灵活性允许硬件针对不同的机器人应用进行重新配置，而无需新的物理组件，这在制造业等行业尤其有价值，因为这些行业中的机器人可能需要在运行中适应各种任务。 4. 能源效率机器人，尤其是移动机器人或无人机，通常在严格的功率限制下运行。与耗电的 CPU 和 GPU 相比，FPGA 在能源效率方面表现出色，使其成为电池供电系统的理想选择。能够设计仅专注于必要功能的硬件架构也可以降低能耗，延长现场机器人的使用寿命。 5. 支持 AI/ML 算法机器人领域人工智能和机器学习的兴起是 FPGA 用途日益广泛的另一个原因。这些芯片可以高效处理人工智能/机器学习算法，尤其是在基于视觉的任务中，例如物体识别、路径规划或自主决策。通过直接在 FPGA 硬件上实现人工智能模型，开发人员可以实现比基于软件的方法更快的处理速度和响应速度更快的系统。总之，FPGA 凭借其并行处理能力、低延迟、硬件可定制性、能源效率以及支持 AI/ML 的能力，为机器人技术提供了理想的解决方案。这些优势为先进机器人技术开启了新的可能性，为更智能、适应性更强、更高效的自主系统铺平了道路。 FPGA 在机器人领域的关键应用 FPGA 因其灵活性、实时处理能力和处理复杂计算任务的能力而在各种机器人应用中变得越来越有价值。从自动驾驶汽车到工业自动化，FPGA 使机器人能够精确高效地执行关键任务。以下是 FPGA 在机器人技术中发挥重大影响的一些关键领域。 1. 自主导航与路径规划自主机器人（例如自动驾驶汽车、无人机和移动机器人）严重依赖激光雷达、雷达、摄像头和超声波探测器等传感器来导航其环境。FPGA 在实时处理来自这些传感器的数据方面发挥着至关重要的作用，使机器人能够检测障碍物、绘制周围环境地图并规划安全、高效的路线。FPGA 能够同时处理来自多个传感器的大型数据集，使其成为速度和准确性至关重要的自主导航系统的理想选择。例如，FPGA 可以使机器人对环境中的动态变化（如移动障碍物或不可预测的地形）做出反应，从而确保安全顺畅的导航。 2.视觉系统和物体识别从工业检测到自主无人机，基于视觉的系统是许多机器人应用的基础。FPGA 非常适合实现实时图像和视频处理，这对于物体检测、面部识别和深度估计等任务至关重要。FPGA 可以加速视觉系统中使用的 AI 和机器学习算法，使机器人能够以比基于软件的解决方案更快、更准确的速度识别和跟踪物体。此外，FPGA 可以同时处理来自多个摄像头的高分辨率视频流，使其成为需要复杂视觉感知的机器人的强大工具。 3. 机械臂和机械操作机械臂广泛应用于制造业、汽车业和医疗保健业等行业，用于完成装配、焊接和精密手术等任务。FPGA 是控制这些机器人系统所需的精确运动和协调不可或缺的部分。它们能够实时处理来自传感器的反馈，确保机械臂在执行复杂任务时保持其准确性。FPGA 还可以管理复杂的运动控制算法，使机械臂能够同时高精度地向多个方向移动。这在自动化制造中尤其有用，因为机器人需要以最小的误差处理精细或复杂的装配任务。 4.协作机器人（Cobots）协作机器人 (cobot) 旨在与人类在共享工作空间中一起工作。这些机器人必须安全运行并实时响应动态环境。FPGA通过处理来自力传感器、接近传感器和视觉系统的数据，使协作机器人能够快速做出决策。这使得协作机器人能够调整其动作，或者在人类距离太近时完全停止，从而确保安全协作。FPGA 的可重构性还使协作机器人能够快速适应新任务，为任务频繁变化的行业（例如电子组装或包装）提供灵活性。 5.无人机和空中机器人在无人机和其他空中机器人系统中，FPGA 提供飞行控制、避障和环境测绘等任务所需的计算能力。FPGA 的并行处理能力使无人机能够实时处理来自摄像头、GPS 和其他传感器的数据，确保飞行稳定和导航准确。FPGA 还提高了用于目标跟踪或地形分析等任务的基于 AI 的算法的效率，使无人机在从农业到监控等各种应用中具有更高的响应速度和可靠性。 FPGA 功能增强机器人技术 FPGA 正日益成为增强机器人系统性能和功能的首选解决方案。其独特功能使其特别适合应对现代机器人技术带来的挑战，例如实时决策、复杂数据处理和能源效率。以下是增强机器人技术并推动自动化创新的关键 FPGA 功能。 1. 并行处理实现实时性能 FPGA 最强大的功能之一是其并行处理能力，这使它们能够同时执行多个操作。这在机器人技术中尤其重要，因为机器人系统通常必须同时处理来自多个传感器（例如 LiDAR、摄像头和陀螺仪）的数据。通过使用 FPGA，机器人可以实时分析和解释大量传感器数据，从而实现更快的决策和更顺畅的运行。例如，得益于 FPGA 的并行处理能力，自主机器人可以同时绘制其环境地图、检测障碍物并调整其路径。 2. 针对时间关键型应用的低延迟处理 FPGA 以其超低延迟能力而闻名，是时间敏感型机器人应用的理想选择。在工业自动化、无人机和自动驾驶汽车等领域，即使是最轻微的处理延迟也可能导致错误或事故。借助 FPGA，机器人可以实时处理数据并响应环境变化，确保高水平的准确性和可靠性。例如，精密手术或装配线中使用的机械臂受益于此功能，因为它们需要立即对传感器的反馈做出反应，以毫不延迟地执行精细或高速的任务。 3. 可定制硬件，针对特定应用进行优化 FPGA 的一个显著优势是它们完全可定制，允许开发人员配置硬件以满足特定机器人应用的特定要求。这种灵活性使机器人能够比使用 CPU 或 GPU 等固定架构处理器更高效地执行高度专业化的任务。借助 FPGA，可以定制硬件设计以处理特定算法或数据流，从而优化性能和功耗。在机器人视觉或 AI 驱动控制系统等需要应用自定义逻辑的应用中，FPGA 提供了无与伦比的适应性。 4. 移动机器人的能源效率功耗是移动和电池供电机器人（如无人机、自动驾驶汽车和服务机器人）的一个关键因素。FPGA 允许设计人员创建针对特定任务优化的硬件架构，从而减少不必要的功耗，从而提供出色的能效。与无论任务如何都运行所有功能的通用处理器不同，FPGA 可以设计为仅激活特定操作所需的组件。这可以降低能耗，延长电池寿命，并使 FPGA 成为需要长时间运行而无需充电的移动机器人系统的理想选择。 5. AI/ML 集成以增强功能 FPGA 非常适合直接在硬件中实现 AI 和机器学习算法，这在机器人技术中越来越重要。使用基于 FPGA 的 AI 解决方案可以显著加速物体检测、面部识别、路径规划和自主决策等任务。借助 FPGA，机器学习模型可以高速处理，同时保持并行处理多个输入的能力。与在 CPU 或 GPU 上运行的基于软件的方法相比，这可以实现更快、更高效的 AI 计算。例如，配备基于 FPGA 的 AI 的机器人可以快速分析视觉数据并实时做出智能决策，从而提高其在动态环境中的整体性能。 6. 可重构性以实现适应性 FPGA 最有价值的特性之一是其可重构性。与固定硬件解决方案不同，FPGA 可以重新编程以适应新任务或更新的要求，而无需更改硬件。这在机器人技术领域尤其有用，因为随着新算法或功能的开发，系统可能需要不断发展。例如，工业机器人可以重新配置以处理不同的生产任务，或者服务机器人可以更新新的 AI 功能而无需更换底层硬件。这种灵活性不仅延长了机器人的使用寿命，还减少了与硬件升级相关的成本和时间。 FPGA 在机器人领域的实际应用案例 FPGA 为复杂和实时任务提供灵活、高性能的解决方案，对机器人行业产生了重大影响。因此，它们被应用于从自动驾驶汽车到工业自动化等多个行业的各种实际应用中。以下是 FPGA 推动机器人创新和效率的一些最突出的用例。 1. 自动驾驶汽车 FPGA 在机器人领域最具突破性的应用之一是自动驾驶汽车的开发，包括无人驾驶汽车和送货无人机。这些车辆需要实时处理来自多个传感器（如摄像头、激光雷达、雷达和 GPS）的大量数据，才能安全行驶。FPGA 在这种环境中表现出色，因为它提供并行处理功能，可以同时处理来自各种来源的数据。例如，特斯拉和 Waymo 等公司使用 FPGA 处理传感器数据，以进行物体检测、避障和路径规划，从而使其车辆能够以低延迟做出实时决策。 2.工业自动化和机械臂在制造业中，FPGA 广泛应用于机械臂，用于组装、焊接和物料搬运等任务。工业机器人需要以高精度和最小误差执行重复性任务，通常在需要根据传感器反馈快速决策的环境中。FPGA 提供这些机器人系统所需的低延迟实时控制，以便对生产线上的变化做出即时反应。例如，汽车制造或电子元件组装中使用的机械臂依靠 FPGA 来管理电机控制、传感器数据处理和精确运动，确保最高的生产力和准确性。 3. 医疗机器人和外科手术系统在医疗保健领域，FPGA 正被集成到机器人手术系统和辅助设备中，因为它们能够提供精确的控制和实时反馈。达芬奇系统等手术机器人需要极高的精度才能精确谨慎地执行微创手术。FPGA 使这些机器人能够处理高清摄像头馈送和传感器数据，使外科医生能够以增强的控制和降低的风险执行复杂的手术。此外，FPGA 还用于机器人假肢和康复设备，为患者提供实时运动控制和反馈，以改善活动能力和恢复结果。 4. 用于空中监视和测绘的无人机 FPGA 在用于空中监视、测绘和农业的无人机开发中发挥着至关重要的作用。无人机需要处理来自多个摄像头、GPS 模块和环境传感器的数据，以执行农作物监测、基础设施检查和搜救行动等任务。通过利用 FPGA，无人机可以实时高效地处理这些任务，从而实现更好的导航、物体跟踪和避障。例如，在农业环境中，配备基于 FPGA 的系统的无人机可以快速分析航拍图像，以评估农作物健康状况、检测灌溉问题并提高产量预测。 5. 服务和消费机器人服务机器人（例如家庭助理和仓库机器人）越来越多地采用 FPGA 来执行涉及实时决策和 AI 驱动交互的任务。这些机器人依靠 FPGA 来处理传感数据，以便在家庭或商业环境中进行物体识别、语音处理和自主导航。例如，亚马逊等公司使用的仓库机器人旨在通过实时导航复杂环境来快速分类、运输和管理库存。FPGA 使这些机器人能够处理导航数据并与 AI 算法交互以优化路径，从而提高仓库运营的效率。 6. 航空航天和国防领域的机器人在航空航天和国防应用中，FPGA 对于在恶劣和关键任务环境中运行的机器人和自主系统至关重要。用于太空探索的机器人、行星探测器和无人军用无人机依靠 FPGA 进行实时数据处理、传感器融合和自主决策。在太空任务中，FPGA 帮助探测器处理来自摄像头和传感器的数据，以导航陌生的地形并根据环境条件做出自主决策。同样，在国防领域，FPGA 用于自主无人机和无人驾驶车辆，以处理实时视频源、雷达数据和通信信号，使这些系统能够在复杂场景中独立运行。在机器人技术中实施 FPGA 的挑战虽然 FPGA 在机器人领域具有显著优势，包括实时处理、灵活性和能效，但其实施并非没有挑战。设计 FPGA 并将其集成到机器人系统中需要专业知识、精心规划，并了解开发过程中可能出现的限制。以下是在机器人领域实施 FPGA 时面临的一些主要挑战。 1. FPGA 设计和开发的复杂性在机器人中使用 FPGA 的最大挑战之一是设计和编程的复杂性。与使用标准高级编程语言进行编程的通用处理器 (CPU 或 GPU) 不同，FPGA 要求开发人员使用硬件描述语言 (HDL)，如 VHDL 或Verilog 。这些语言比传统的)软件开发工具更难学习和使用，通常需要深入了解数字逻辑设计和硬件架构。此外，FPGA 开发涉及更复杂的工作流程，包括综合、布局和布线，这些流程可能非常耗时且容易出错。对于实时性能和可靠性至关重要的机器人应用，确保 FPGA 设计满足所有时序和功能要求会增加开发过程的复杂性。 2. 更长的开发时间由于 FPGA 设计的复杂性，基于 FPGA 的系统的开发周期通常比基于软件或现成解决方案的开发周期更长。在机器人等快节奏行业中，上市时间可能是一个关键因素，而与 FPGA 相关的延长开发时间可能是一个障碍。当开发时间表延长时，公司可能会发现很难跟上快速的技术进步和不断变化的客户需求。较长的开发时间也会影响原型设计。与可以快速进行迭代测试和更新的软件解决方案不同，基于 FPGA 的系统通常需要进行硬件更改，这会减慢创新和产品迭代过程。 3. 初始成本较高与使用标准处理器或微控制器相比，在机器人系统中设计和部署 FPGA 的成本可能更高。FPGA 本身通常更昂贵，其开发过程通常需要专门的工具、软件许可证和经验丰富的工程师。对高技能人才、开发工具和时间的投资可能会增加将 FPGA 集成到机器人系统中的总体成本。对于预算有限的小公司或初创公司来说，较高的初始成本可能会成为一种阻碍，导致他们选择更便宜但灵活性较差的替代品，如微控制器或 GPU。 4. 复杂设计中的功耗尽管 FPGA 可以针对低功耗应用进行优化，但复杂的设计（尤其是涉及高速处理或 AI/ML 实现的设计）可能会消耗大量电量。在移动机器人和电池供电系统中，电源效率至关重要，因为过多的功耗会降低机器人的运行时间和效率。虽然 FPGA 在某些情况下可以节省电量，但当它们用于处理大型数据集或实现复杂算法时，其功耗可能成为挑战。降低复杂设计中的功耗可能需要先进的技术，例如动态电源管理或时钟门控，这会增加整体设计的复杂性。 5.对AI / ML框架的支持有限虽然 FPGA 非常适合加速 AI 和机器学习 (ML) 任务，但将它们与流行的 AI/ML 框架（例如 TensorFlow 或 PyTorch）集成却具有挑战性。与这些框架广泛支持的 GPU 不同，基于 FPGA 的 AI 开发通常需要额外的抽象层和自定义库。这为开发人员带来了陡峭的学习曲线，并增加了将 AI/ML 集成到机器人系统的复杂性。此外，FPGA 专用 AI 工具链仍在不断完善，将高级机器学习模型转换为硬件兼容的设计需要 AI 和 FPGA 开发方面的专业知识。随着 AI 成为机器人系统中不可或缺的一部分，克服这一挑战对于更广泛地采用 AI 驱动的机器人中的 FPGA 至关重要。 6.调试和测试复杂性调试和测试基于 FPGA 的系统可能比基于软件的系统更复杂。传统处理器允许开发人员使用标准调试工具，但 FPGA 调试通常涉及硬件在环测试、逻辑分析仪和在线仿真。这使得该过程更加耗时且技术要求更高。在机器人领域，实时操作和可靠性至关重要，因此调试和测试尤其具有挑战性。FPGA 配置中的任何错误都可能导致系统故障或性能下降，尤其是在自动驾驶汽车或手术机器人等任务关键型应用中。这需要更强大的测试方法，从而进一步延长开发周期。 7.可扩展性有限虽然 FPGA 提供了灵活性和定制性，但它们并不总是能够有效地扩展到更大或更复杂的机器人系统。随着机器人任务的复杂性增加，例如在结合高级 AI 算法、实时决策和多传感器融合时，FPGA 的逻辑资源可能会变得不足。扩大 FPGA 设计以满足这些不断增长的需求可能成本高昂且技术难度大，需要使用更大、更强大的 FPGA 设备，而这些设备成本高昂且功耗更大。结论 FPGA 在机器人领域发挥着越来越重要的作用，具有实时数据处理、灵活性和高性能计算能力等独特优势。通过实现可针对特定应用量身定制的解决方案，FPGA 正在彻底改变医疗保健、制造业、自动驾驶汽车和国防等行业的自动化。从提高机器人手术的精度到增强自主无人机的决策能力，FPGA 使机器人系统能够更高效、更有效地运行。然而，在机器人技术中实施 FPGA 也面临着一系列挑战，例如设计复杂、开发时间更长、初始成本更高以及更高级应用中的功耗。解决这些问题对于基于 FPGA 的系统在机器人技术中的更广泛应用至关重要，尤其是随着对人工智能和实时决策的需求不断增长。随着机器人行业的不断发展，FPGA 有望实现更高水平的自动化、适应性和效率。随着 FPGA 开发工具、AI 集成和电源管理的不断进步，FPGA 在机器人领域的潜力将不断扩大，有助于塑造智能自动化的未来。
2025-03-31
回复了主题帖：国民技术N32H487开发板环境搭建（详细）

介绍的国民技术N32H487开发板环境搭建还是挺详细
2025-03-28
发表了主题帖： ROS机器人硬件平台搭建----供电系统之锂电池选型

本帖最后由 Openying123 于 2025-3-28 08:14 编辑这篇文章一起来看看ROS移动机器人供电系统。目前某宝常见的ROS学习套件，大都采用12V有刷直流电机，供电电压常采用3节锂电池串联后得到12.6V电压。经过电压转换后给电机，控制器，树莓派，雷达等传感器供电。电源的稳定性对一个系统而言是至关重要的。所以接下来的两篇文章会给大家介绍用于ROS移动机器人高集成电源解决方案。这篇文章，主要进行系统电源整体分析，以及对于很多人来说都比较头疼的锂电池选型问题。电压类型一个硬件系统中往往会存在着多种电压。在ROS移动机器人中有12.6V电压，5V电压，3.3V电压。对于这种多电压类型并且存在高电压差的系统，在硬件设计中往往采用逐级降压的方式。在高压差时为提高能量转换效率多采用开关电源，如常用的非隔离式BUCK拓扑结构，隔离式反激拓扑结构。在低压差时，为得到低纹波纯净的电源，多采用线性降压方式。关于BUCK，线性电源的原理在第一个项目已经进行了介绍，可从我的历史文章中查看。锂电池选型锂电池的选型要考虑多种因素，如电池体积，容量，放电倍率，循环充放电次数，价格。选型结果应该是权衡了以上多种因素后得到的。锂电池放电倍率是一个重要的参数：它用来表示电池充放电电流大小的比率，即倍率。如1200mAh的电池，1C表示1200mA（1200mAh的1倍率），10C表示12000mA(1200mAH的10倍率)。锂电池放电倍率越大表明锂电池能够以越大的电流进行放电，选择合适的放电倍率对于ROS移动机器人是很重要的。锂电池放电倍率不够时当电机启动瞬间或者电机转向时，在PID算法的控制下，想要达到系统瞬态响应的需求，需要锂电池提供很大的电流（电流值跟电机负载，PID参数都有关系），如果锂电池不能提供这么大的电流，锂电池电压会被迅速拉低，控制部分电压出现抖动，单片机复位重启都有可能。系统最大电流推算系统中耗电大户分别为：两个直流电机，树莓派，雷达，控制器。树莓派的供电电源需满足2A的电流供给能力，雷达和控制器使用5V/2A便可以满足需求。由于电机属于感性负载，在电机启动瞬间，电机电流可达到额定电流的4-7倍。在设计中，假设电机启动瞬间，电流为额定电流的7倍。例如，一个额定电流为360ma的有刷直流电机，启动瞬间电流可以达到2520ma,留出20%的设计余量，此时在启动瞬间，一个电机最大需要消耗3024ma的电流，两个电机则需要电池提供6A以上的电流。结合树莓派，雷达，控制器的耗电量，可知电池最大需要提供10A以上的电流。根据电池放电倍率可知，当使用一个容量为2600mAh的三串锂电池时，锂电池的放电倍率应该大于3.8C才能够满足系统的供电需求。锂电池选型推荐体积选择18650动力电芯容量 2600mAh 放电倍率 >4C 价格 12元/节
2025-03-27
发表了主题帖：机器人怎么跑的又快又远？ ——智能机器人供电方案选择

智能电子机器人的能源供给是机械结构设计与电控布局共同作用的一个关键环节，需要考虑到的部分非常复杂。选择合适的供电方案能够极大提升智能机器人的活动范围与运动性能。基础来说，有以下几种常见电池可供小型智能机器人选择： 1. 铅酸蓄电池该种电池电量较大，但本身体积较大，适用于较大型无人船的供电。实际上，这种电池并不是小型机器人首选，其笨重的体型对灵活性有极大损害。但其依然是目前市面上常见的电池种类。 2、航模电池航模电池放电电流一般比较大，会有多少C的标识。比如，6s，10000mAh，30C的电池，最大放电电流是10*30=300A（10是代表10Ah，由10000mAh换算得来）。但是这种电池可靠性不是特别令人满意，其不稳定性使得设计者需较多考虑在较为恶劣环境下航模电池的供电稳定性，更重要的，电池本身的安全性。 3、锂电池现阶段机器人常用的电池类型，具体型号为18650和26650锂电池。这种电池一般是多个单节动力型锂电池点焊再配上电池保护板而来。尺寸可以根据需求让厂家加工，可靠性一般比较高，充电也比较方便，但是放电电流一般比较受限于保护板。通俗来说，这种大电池是小电池们共同工作放电来达成大量蓄电放电的功能的，因此其灵活性比较高，不过因为这类电池封装问题，尤其是在水上环境工作，比如我们的水上垃圾清理机器人，就需要设计者留心水上环境对锂电池组的影响。不过保护板的设计必要，但对其性能有一定影响。综合来说，不同类型的电池有不同优劣，设计师需要综合考量使用环境，可充能间隔，充能效率，放电需求等不同条件。综合选择合适的电池种类。而世界各地的不同智能机器人对此也有不同的选择，较为小型的垃圾清理机器人，尤其是陆地环境工作的，选择锂电池组的偏多；而割草机器人ULsee会将目光投向动力更强劲的电池种类。不过电池选择并非局限在这几种中，新能源机器人证字啊越来越多的进入人们的视线，许多清洁机器人，如南非WasteShark在更新迭代中选择了环保的太阳能电池辅助供电，同样的，风能机器人也在不断出现。所以机器人供电方案的选择不是简单活，需要多方面考虑。
2025-03-26
发表了主题帖：人形机器人“动”力之源——电机选型指南

人形机器人的崛起近年来，人形机器人如一颗璀璨的新星，迅速在科技领域崭露头角，成为人们瞩目的焦点。从工业生产的流水线，到温馨的家居生活场景，再到医疗护理的病房、教育的课堂，乃至充满挑战的太空探索任务，都有人形机器人活跃的身影。它们凭借着高度拟人化的外形与卓越的智能交互能力，正在以前所未有的速度融入人类社会，逐步改变着我们的生活与工作方式。而在人形机器人令人惊叹的 “表演” 背后，电机作为驱动其灵活运动的关键部件，起着举足轻重的作用。毫不夸张地说，电机堪称人形机器人的 “肌肉”，它直接决定了机器人关节的运动精度、速度、力量以及整体的能效表现，进而深刻影响着机器人在各种复杂任务中的执行能力。可以想见，选择合适的电机对于打造一款高性能、实用化的人形机器人是多么关键。接下来，咱们就深入探究一下人形机器人电机选型的门道。主流电机类型大起底伺服电机：精准操控的担当伺服电机堪称人形机器人关节控制的 “王牌选手”，以其高精度、响应速度快、可控制性强等显著优势，牢牢占据着重要地位。它能够精准地控制机械元件运转，如同一位技艺精湛的舞者，在舞台上精准地踏出每一步。在人形机器人的关节运动控制和定位领域，伺服电机的应用极为广泛。就拿机器人的肩、肘、膝等关节来说，这些部位对运动轨迹的精准度要求极高，伺服电机通过闭环控制，宛如拥有一双敏锐的眼睛，实时监测关节的位置、速度等状态信息，并根据反馈迅速调整，从而确保机器人能够实现精准且柔顺的运动，无论是完成复杂的舞蹈动作，还是进行精细的操作任务，都不在话下。在一些高端工业机器人参与的精密电子制造环节，伺服电机凭借其高精度的特性，能够将零部件精准地放置在毫米级甚至更小误差的位置上，为产品质量提供了坚实保障。而对于像手指、手腕这类需要精细控制的部位，伺服电机更是不二之选，它可以精确控制每一个细微动作，让机器人轻松完成诸如拿捏小物件、书写绘画等精细任务，其精度之高，甚至能媲美人类手指的灵巧操作。无刷直流电机：高效驱动的先锋无刷直流电机可是人形机器人驱动系统中的一把 “利器”，凭借其出色的效率、较轻的重量以及超长的寿命，在众多机器人设计方案中备受青睐。与传统有刷电机相比，它摒弃了容易磨损的换向器，就像一位摆脱了枷锁的运动员，可靠性大幅提升，寿命也得以显著延长。在机器人的腿部、脚部等大型关节以及背部、躯干等较大模块化区域，无刷直流电机常常担当重任，为机器人提供强大而稳定的动力输出，驱动机器人快速奔跑、灵活转向，轻松应对各种复杂地形。在一些物流仓储场景中，搭载无刷直流电机的搬运机器人能够高效地穿梭于货架之间，快速准确地搬运货物，大大提高了物流效率。虽说无刷直流电机在精度控制方面稍逊于伺服电机，但通过闭环控制技术的加持，它同样能够实现较为出色的控制效果，满足机器人多样化的运动需求。并且，它运行时噪声较低，为机器人营造出安静的工作环境，使其能够在诸如医院、图书馆等对噪音敏感的场所自如工作。步进电机：定位小能手步进电机犹如人形机器人团队中的 “精准定位员”，凭借独特的步进控制特性，在一些特定场景中发挥着不可替代的作用。它能够精确地将电脉冲信号转换为角位移，每个脉冲都对应固定的转角，就像时钟的指针，一步一步稳稳前行，精准定位。在对动态响应和控制精度要求并非顶级严苛，而更注重定位准确性与成本控制的场景下，步进电机展现出了独特的优势。比如控制机器人的头部旋转，由于头部运动相对较为简单，主要是水平或垂直方向的转动，步进电机凭借其角度控制简单且成本低廉的特点，能够轻松胜任，让机器人可以灵活地观察周围环境。此外，在小型的附属机构中，像是视觉系统中的微调运动，或者其他轻负载精确运动场景，步进电机都能以较高的性价比实现精准控制，为机器人整体功能的完善添砖加瓦。不过需要注意的是，步进电机通常采用开环控制，缺乏反馈调节机制，一旦负载发生较大变化，就有可能出现丢步现象，影响控制精度，因此在使用时需要充分考虑负载因素。压电电机：微观世界的舞者压电电机作为一种新型的微驱动技术，宛如微观世界里的 “精灵”，在人形机器人精密控制领域绽放着独特光芒。它的工作原理基于压电材料的逆压电效应，当施加电场时，压电材料会发生形变，进而产生驱动力。这种电机能够提供极高的分辨率，特别适合于那些需要在微小尺度上进行精细操作的场景，堪称机器人的 “微操大师”。在一些高端人形机器人的手部设计中，当需要抓取极其微小的物体，如芯片、精密零件时，压电电机便能大显身手，它可以精确控制手指的微小动作，以微米甚至纳米级的精度调整抓握力度和位置，确保物体被稳稳抓起而不会受损。在涉及精密仪器的机器人上，压电电机还能实现传感器或相机镜头的微调，让机器人获取更为精准的信息。然而，压电电机也并非十全十美，由于其驱动力主要依靠材料的微观形变，所以力矩相对较小，不太适合承担大负载的工作，就像一位擅长精细刺绣的工匠，难以扛起沉重的货物。直流有刷电机：经济适用之选直流有刷电机算得上是电机家族中的 “经济适用型选手”，尽管它在效率、寿命等方面存在一定短板，但凭借控制简单、价格低廉的优势，在一些低成本人形机器人领域仍占有一席之地。对于那些预算有限，对机器人性能要求并非极致严苛的项目来说，直流有刷电机是一种性价比颇高的选择。它可以应用于简单的关节运动，驱动机器人完成一些基础动作，虽然动作的精度、速度和流畅性可能比不上前面几种高端电机，但足以满足一些基础展示、教育科普类低成本机器人的需求，让更多人能够接触和了解人形机器人的魅力。比如在一些学校用于教学演示的简易人形机器人模型中，直流有刷电机就能以较低的成本实现基本的关节活动，帮助学生直观地理解机器人的运动原理。不过，由于存在碳刷磨损、接触电阻等问题，直流有刷电机的机械效率相对较低，运行时噪音较大，且需要定期维护，更换碳刷，以确保其正常运行。选型关键要素任务需求：因 “用” 而异不同的应用场景对人形机器人的运动能力、负载要求以及精度标准都有着天壤之别，这无疑是电机选型的关键出发点。在工业制造领域，机器人宛如一位不知疲倦的工匠，需要精确且稳定地完成诸如焊接、装配等复杂任务。这就要求所选用的电机具备高精度的定位能力，如同狙击手精准瞄准目标一般，误差极小，同时还要有出色的响应速度，能够快速执行指令，确保生产流程高效顺畅。以汽车生产线上的焊接机器人为例，它的机械臂在进行焊接操作时，必须精确控制焊枪的位置和角度，哪怕是微小的偏差都可能导致焊接质量问题，影响整车的安全性。因此，高精度的伺服电机成为不二之选，它能够凭借闭环控制技术，实时监测并调整运动状态，保证每一个焊点都完美无瑕。而在服务领域，机器人又摇身一变，成为贴心的生活助手，无论是在餐厅送餐、酒店送物，还是在家庭中承担家务，都需要频繁地与人互动，动作要轻柔、灵活且安全。这时候，无刷直流电机凭借其高效、平稳的驱动特性，以及相对较低的噪音优势，能够让机器人在人群中穿梭自如，避免惊扰到他人。并且，为了适应不同的服务场景，电机的扭矩和转速也需要精准匹配，确保机器人能够轻松搬运各类物品，如餐厅机器人平稳地端送餐盘，家庭服务机器人灵活地操控清洁工具等。医疗护理场景更是对机器人提出了极高的要求，它需要像经验丰富的护士一样，精准地执行各种医疗操作，如手术辅助、药品配送等。此时，电机的精度和稳定性直接关系到患者的生命健康，任何细微的失误都可能引发严重后果。在手术辅助机器人中，伺服电机凭借其卓越的精度控制能力，能够精确辅助医生完成复杂的手术操作，确保手术刀的移动精准无误，为手术的成功保驾护航。同时，考虑到医疗环境的特殊性，电机还需要具备良好的电磁兼容性，避免对医疗设备产生干扰，确保患者的生命体征监测等设备正常运行。由此可见，深入了解机器人的具体任务需求，全面考量运动特性、负载状况以及精度标准，是挑选合适电机的首要任务。只有做到精准匹配，才能让机器人在各个领域发挥出最大的效能，为人类提供更加优质、高效的服务。关节特性：适配为王人形机器人的关节类型丰富多样，各具特色，而不同的关节特性对电机的要求也截然不同，这就如同为不同的运动员挑选专属的装备，只有适配得当，才能发挥出最佳水平。刚性关节恰似传统的精密机械结构，具有极高的控制精度，能够精准地执行各种复杂动作指令，如同经验丰富的老工匠，对每一个细节都把控得恰到好处。在工业机器人参与的精密制造环节，刚性关节确保了机械臂能够以毫米级甚至更小的误差进行操作，保障产品质量。这种关节通常搭配高转速、高精度的伺服电机，电机通过编码器等反馈装置，实时将关节的位置、速度信息传输给控制系统，实现闭环控制，让机器人的动作精准流畅，就像舞蹈演员在舞台上精准地踏出每一步，完成复杂的舞蹈动作。柔性关节则像是给机器人注入了生命的弹性，它能够模拟人类肌肉的弹性特性，使机器人的运动更加自然、柔顺，有效缓冲外界冲击，避免碰撞造成的损伤，如同运动员佩戴的护具，关键时刻能起到保护作用。在一些需要与人密切互动的服务机器人中，柔性关节让机器人在接触人类时更加轻柔，避免意外伤害。适配柔性关节的电机往往需要具备一定的过载能力，以应对瞬间的冲击力，同时还要求有较好的响应特性，能够快速适应关节的弹性形变。无刷直流电机或一些特殊设计的力矩电机，凭借其较高的功率密度和较好的动态响应性能，能够较好地满足柔性关节的驱动需求，让机器人在灵活运动的同时，保障人机交互的安全。准直驱关节作为一种新兴的关节技术，追求电机与负载的直接连接，最大限度地减少传动环节带来的能量损失和精度误差，如同赛车追求极致的动力传输效率。这种关节对电机的扭矩密度和动态响应能力提出了极高的挑战，要求电机能够在瞬间输出强大的扭矩，驱动机器人完成快速、有力的动作，如四足机器人的奔跑、跳跃等。高扭矩密度的无框力矩电机应运而生，它通过优化电机结构，提升磁钢性能等手段，在紧凑的体积内实现了强大的扭矩输出，配合先进的控制算法，能够让机器人的关节迅速响应指令，展现出卓越的爆发力和敏捷性，宛如猎豹在草原上飞驰。所以，深入剖析机器人关节的特性，精心挑选与之完美适配的电机类型和参数，是打造高性能人形机器人的关键环节。只有实现关节与电机的协同优化，才能让机器人在各种复杂任务中行动自如，展现出强大的适应能力。成本考量：精打细算在人形机器人的研发与制造过程中，成本无疑是一个无法回避的关键因素，而电机作为核心部件之一，其成本更是备受关注。不同类型的电机在价格上存在着显著差异，这背后涉及到材料成本、制造工艺以及生产规模等诸多因素。就拿高端的伺服电机来说，它凭借高精度、高性能的优势，在工业机器人、高端医疗机器人等领域占据一席之地，但与此同时，其复杂的制造工艺和精密的零部件使得成本居高不下。例如，高精度的编码器、高性能的磁钢以及先进的控制芯片等，这些关键部件不仅价格昂贵，而且研发难度大，导致伺服电机的整体价格相对较高。无刷直流电机虽然在性能上稍逊于伺服电机，但胜在成本相对较低，性价比突出。它通过电子换向器取代了传统的电刷，减少了机械磨损，提高了可靠性，同时降低了维护成本。在大规模生产的情况下，无刷直流电机的成本优势愈发明显，能够为机器人制造商节省可观的开支。步进电机则以其结构简单、控制成本低的特点，在一些对精度要求不高、预算有限的项目中得到广泛应用，如教育科普类机器人、简单的工业自动化设备等。它不需要复杂的反馈控制系统，仅通过开环控制就能实现基本的定位功能，大大降低了系统成本。然而，电机的成本绝不仅仅局限于采购价格，还涵盖了后续的使用、维护以及整个生命周期的总成本。在评估成本时，必须综合考虑这些因素。例如，一些高性能电机虽然采购成本高，但凭借其高效的运行效率，能够降低能耗，减少长期运行成本。在电池供电的人形机器人中，这一点尤为重要，高效的电机可以延长机器人的续航时间，减少充电次数，提高工作效率。同时，可靠性高的电机意味着更低的维护频率和成本，减少因故障停机带来的损失。在工业生产线上，机器人的停机维修可能导致整个生产线的停滞，造成巨大的经济损失，因此选用可靠性高的电机能够有效避免这种情况的发生。此外，随着人形机器人市场的不断扩大，规模化生产成为降低电机成本的重要途径。当电机的需求量大幅增加时，供应商可以通过优化生产流程、扩大生产规模来降低单位成本，就像汽车产业随着产量的提升，零部件成本不断下降一样。对于机器人制造商而言，提前布局供应链，与电机供应商建立长期稳定的合作关系，有望在成本控制上取得更大的优势，为打造价格亲民、性能卓越的人形机器人奠定坚实基础。前沿电机技术瞭望在人形机器人蓬勃发展的浪潮中，电机技术也从未停止创新的脚步，一系列前沿技术如雨后春笋般涌现，为机器人的未来发展注入了源源不断的活力。空心杯电机，堪称电机领域 “皇冠上的明珠”，以其独特的无铁芯空心杯状转子结构独树一帜。这种创新设计使得电机的效率得到了质的飞跃，转速快、响应敏捷，如同灵动的精灵，在运行时还具备低噪音、低振动的优势，为机器人营造出安静、稳定的工作环境。不仅如此，空心杯电机的寿命也相当可观，能够长时间稳定运行，减少维护成本。在人形机器人的手部 —— 灵巧手的设计中，空心杯电机更是展现出了无可比拟的优势，它可以精准地控制手指的每一个细微动作，让机器人轻松拿捏各类微小物品，完成诸如精密装配、微操作等任务，赋予了机器人无与伦比的精细操作能力，使其在高端制造、医疗手术辅助等领域大显身手。仿生肌肉电机，则是从大自然中汲取灵感的杰作，它模拟生物肌肉的收缩与舒张原理，致力于为机器人带来更加自然、柔顺的运动体验。这种电机能够像人类肌肉一样，实现无级变速和柔性驱动，让机器人的动作更加流畅、自然，无论是温柔地搀扶老人，还是小心翼翼地抱起孩童，都能展现出无与伦比的亲和力，极大地拓展了人机交互的边界。在可穿戴机器人和康复辅助机器人领域，仿生肌肉电机的应用前景尤为广阔，它可以与人体紧密贴合，为使用者提供恰到好处的助力，帮助行动不便者重新找回自由行动的能力，开启全新的生活篇章。无框力矩电机，凭借其紧凑的结构设计和强大的扭矩输出能力，成为了人形机器人关节驱动的得力助手。它去除了传统电机的边框束缚，直接将定子和转子与机器人关节进行深度集成，如同给机器人关节注入了强大的力量源泉，不仅节省了宝贵的空间，还减少了能量在传动过程中的损耗，使得机器人的关节能够更加迅速、精准地响应控制指令，展现出卓越的动态性能。在人形机器人的肩部、肘部、髋部等关键关节部位，无框力矩电机的身影随处可见，它让机器人能够轻松完成高强度的动作，如搬运重物、快速奔跑、精准跳跃等，为机器人在工业制造、物流配送、应急救援等领域的广泛应用奠定了坚实基础。这些前沿电机技术虽然目前仍处于不断发展与完善的阶段，尚未实现大规模的普及应用，但它们无疑代表着人形机器人电机技术的未来发展方向。随着研发的持续深入、技术的日益成熟以及成本的逐步降低，相信在不久的将来，这些先进电机将成为人形机器人的标配，推动人形机器人向着更加智能、高效、灵活的方向大步迈进，彻底改变我们的生活与工作方式，开启一个全新的智能时代。做出你的选择人形机器人电机选型恰似一场精心策划的战略布局，需全方位权衡任务需求、关节特性以及成本等关键要素，从多种电机类型中筛选出最为匹配的方案。这不仅要求工程师们对各类电机的性能特点了如指掌，还得紧密结合机器人的实际应用场景，进行深入细致的优化调整。随着科技的飞速发展，电机技术领域不断涌现出新的突破与创新。空心杯电机、仿生肌肉电机、无框力矩电机等前沿技术正逐步崭露头角，它们以卓越的性能为机器人的未来发展开辟了广阔天地。尽管当下这些先进技术尚未实现大规模普及应用，成本也有待进一步降低，但毋庸置疑，它们代表着未来的发展潮流。展望未来，在科技持续进步与市场需求的强劲推动下，人形机器人电机技术必将迈向更高的台阶。电机的性能将愈发强大，成本愈发亲民，与人形机器人的融合也将更加天衣无缝。届时，人形机器人将更加智能、灵活，广泛融入我们生活的各个角落，为人类带来前所未有的便捷与惊喜。让我们满怀期待，共同见证这一激动人心的科技变革！
2025-03-25
回复了主题帖： >>征集 | 晒电机控制痛点与难题，一起寻求最优解！

电机控制IC的技术特性及其应用痛点的系统性分析如下 1.支持70V高压驱动系统，集成智能栅极驱动器与Buck转换器，系统BOM减少40%以上 2.硬件式伺服控制引擎，实现<100ns级实时响应，消除软件中断延迟内置预载运动曲线库（S型/T型加速曲线） 3.支持Encoder/ABZ/Hall传感器直连，硬件闭环控制无需DSP参与
发表了主题帖：人形机器人的“力量之源”：锂电池还是固态电池？

本帖最后由 Openying123 于 2025-3-25 10:11 编辑人形机器人：开启智能新时代在科技飞速发展的当下，人形机器人已从科幻作品中的想象走进现实，成为各领域的新宠。在工业生产中，它们凭借精准的操作和不知疲倦的特性，承担起高危、高重复性的工作，如汽车制造中的零部件组装，化工生产中的危险物料搬运等，极大地提高了生产效率与安全性。在家庭服务领域，人形机器人化身为贴心助手，扫地、洗碗、照顾老人小孩，为人们的生活带来诸多便利。在医疗护理场景中，它们可以协助医护人员进行患者护理、药品配送等工作，缓解医疗资源紧张的问题。在教育娱乐行业，人形机器人又能化身为生动有趣的教学伙伴和娱乐玩伴，为学生带来全新的学习体验，为人们的闲暇时光增添乐趣。可以说，人形机器人的广泛应用，正悄然改变着我们的生产生活方式，而这一切的背后，电池技术起着关键的支撑作用。电池，作为人形机器人的 “能量心脏”，为其各项复杂的动作和智能运算提供动力。它的性能优劣，直接关系到机器人的续航能力、负载能力以及响应速度等核心性能指标，进而影响着机器人在各个应用场景中的表现和实用性。锂电池：当前的主力军锂电池的类型与优势在当前的人形机器人领域，锂电池凭借其出色的综合性能，成为了当之无愧的 “主力军”。锂电池家族主要包括锂离子电池和锂聚合物电池。锂离子电池的正极材料丰富多样，常见的有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及三元材料（镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂等），负极一般采用石墨或碳，电解液为无水有机溶液。它具有高能量密度的显著优势，这意味着在相同体积或重量下，锂离子电池能够储存更多的电能，为机器人提供更持久的动力支持。就好比同样大小的背包，锂离子电池这个 “背包” 能装下更多的 “能量宝藏”，让机器人可以持续运行更长时间。其循环寿命也较长，可达 2000 次以上，充放电过程稳定，自放电率较低，在宽温度范围内都能有不错的表现。像我们日常使用的手机、笔记本电脑等便携式电子设备，大多采用锂离子电池，正是看中了它这些优点，而在人形机器人中，它同样发挥着重要作用，为机器人的各种复杂动作和智能运算提供稳定的电力保障。锂聚合物电池则是锂离子电池的一种升级类型，它采用了更加轻薄的铝塑膜包装，在形状上更为灵活多样，能够根据机器人的内部结构进行定制化设计，更好地适配各种复杂的空间布局。其能量密度比锂离子电池更高，部分高能量密度的锂聚合物电池甚至可达到 400Wh/kg 以上，还具有更高的放电平台电压和更低的内阻，可以为机器人提供更大的输出功率，使其动作更加敏捷、迅速。同时，由于采用了固态电解质，锂聚合物电池的安全性和稳定性也更上一层楼。在一些对电池重量、体积有严格要求的便携式医疗设备、无人机等领域，锂聚合物电池已经得到了广泛应用，在人形机器人领域，它也展现出了巨大的潜力。众多人形机器人产品中，不乏锂电池应用的成功案例。圣阳股份的圆柱锂电池，以其高能量密度、长循环寿命和高安全性，为机器人提供了稳定且高效的能源解决方案，在人形机器人市场中备受关注。杭州宇树科技的 Unitree H1 机器人，搭载的锂电池使其具备了出色的续航能力和动力性能，能够在各种复杂环境下完成多样化的任务，无论是快速行走、灵活转身，还是搬运重物，都不在话下，为用户带来了良好的使用体验。锂电池的局限然而，锂电池并非完美无缺。在极端情况下，如高温、撞击、穿刺等，锂电池可能会出现过热、燃烧甚至爆炸的危险。近年来，电动自行车锂电池起火爆炸的新闻屡见不鲜，让人们对锂电池的安全性产生了担忧。当锂电池内部的正负极之间的隔膜因受热而产生收缩和融化时，正负极就会直接接触在一起，瞬间产生大量电流，在电池内部产生巨大热量，如果不能够及时抑制，就可能引发热失控，导致电池燃烧甚至爆炸。同时，锂电池在过充的情况下，会导致电池内部的活性物质结构被破坏，从而降低电池的性能和寿命，还可能导致电池的容量逐渐减少，最终无法再使用。固态电池：崭露头角的新星固态电池的原理与特性在锂电池技术发展的同时，固态电池作为一种极具潜力的新型电池技术，也逐渐崭露头角，成为了人形机器人电池领域的新焦点。固态电池，从名字就能看出它与传统锂电池的显著区别，其最大的特点就是采用固态电解质替代了传统的液态电解质。在传统的锂离子电池中，锂离子在液态电解质中穿梭，实现充放电过程，而固态电池则是让锂离子在固态电解质中迁移。固态电解质的材料主要包括氧化物、硫化物和聚合物等，这些材料赋予了固态电池诸多优异的特性。固态电池的能量密度十分出众，可达传统锂离子电池的 2 到 3 倍。这意味着在相同体积或重量下，固态电池能够储存更多的电能，为人形机器人提供更持久的动力。就好比为机器人配备了一个 “超级能量背包”，使其能够长时间高效地工作。以重庆太蓝新能源公司 2024 年 4 月研发制造的全固态锂金属电池为例，其单体容量达到 120Ah，能量密度高达 720Wh/Kg，如此高的能量密度，能让搭载它的人形机器人拥有更长的续航时间和更强的工作能力。在安全性方面，固态电池也有着明显的优势。传统锂电池的液态电解质易燃，存在泄漏风险，在过充、短路或高温等情况下，容易引发起火和爆炸等危险。而固态电池的固态电解质不易燃烧，也不会发生泄漏，大大降低了起火和爆炸的风险，为机器人的安全运行提供了可靠保障。即使在受到外力冲击或高温环境下，固态电池也能保持稳定，不易发生短路现象，极大地提高了机器人在复杂环境下工作的安全性。固态电池在人形机器人中的应用实例目前，虽然固态电池在人形机器人领域的应用还处于起步阶段，但已经有一些成功的案例。广汽集团推出的第三代具身智能人形机器人 GoMate，就是一个典型代表。GoMate 创新性地采用了可变轮足移动结构，融合了四轮足、两轮足两种模式，这种独特的构型设计不仅提高了机器人在复杂环境下的适应性和稳定性，还大幅降低了能耗，相比同类产品节能达 80% 以上。而在电池方面，GoMate 搭载了广汽集团的全固态电池，这使得它的续航能力达到了 6 小时，在同类产品中表现出色。凭借全固态电池的高能量密度和稳定性，GoMate 能够在长时间的任务执行或环境探索中保持出色的表现，无论是在工厂的生产线上协助完成各种任务，还是在复杂的户外环境中进行巡检等工作，都能应对自如。这一应用实例充分展示了固态电池在提升人形机器人续航能力和性能方面的巨大潜力，也为固态电池在人形机器人领域的进一步推广应用奠定了良好的基础。两者大比拼：谁更胜一筹锂电池和固态电池在能量密度、安全性、续航能力、成本等多个维度各有优劣，在人形机器人应用中也有着不同的表现。从能量密度来看，固态电池有着显著的优势。理论上，固态电池的能量密度可达传统锂离子电池的 2 到 3 倍，这意味着在相同体积或重量下，固态电池能够储存更多的电能，为人形机器人提供更持久的动力。以一些实验室研发的固态电池为例，其能量密度已经突破了 500Wh/kg，而目前市面上常见的锂离子电池能量密度大多在 150 - 260Wh/kg 之间。高能量密度使得搭载固态电池的人形机器人可以在一次充电后运行更长时间，完成更多复杂任务，大大提高了工作效率。安全性方面，固态电池同样表现出色。传统锂电池的液态电解质易燃且存在泄漏风险，在过充、短路或高温等情况下容易引发起火和爆炸等危险，对人形机器人的安全运行构成威胁。而固态电池采用的固态电解质不易燃烧，也不会发生泄漏，极大地降低了起火和爆炸的风险，即使在受到外力冲击或高温环境下，也能保持稳定，不易发生短路现象，为机器人在复杂环境下工作提供了可靠的安全保障。续航能力与能量密度密切相关，由于固态电池的高能量密度，其续航能力通常也优于锂电池。在实际应用中，搭载固态电池的人形机器人能够在一次充电后持续工作更长时间，减少充电次数，提高了工作的连续性和效率。例如，广汽 GoMate 人形机器人搭载全固态电池后，续航能力达到了 6 小时，相比同类采用锂电池的产品有了明显提升，并且能耗降低了 80% 以上，这使得它在执行任务时更加高效和持久。然而，在成本方面，锂电池则占据优势。经过多年的发展，锂电池的生产技术已经非常成熟，产业链也十分完善，原材料供应充足，这使得锂电池的成本相对较低。而固态电池目前仍处于发展阶段，生产工艺复杂，对生产设备和技术要求较高，原材料成本也相对较高，导致其整体成本居高不下。据相关数据显示，同等能量密度下，目前固态电池的成本较普通锂电池增加约 10% - 15%，这在一定程度上限制了固态电池在人形机器人领域的大规模应用。在充放电速度上，固态电池也展现出了巨大的潜力。由于固态电解质的离子导电性通常比液态电解质更高，固态电池可能支持更快的充电速度，这对于需要快速补充能量、提高工作效率的人形机器人来说，具有重要意义。虽然目前固态电池的快速充电技术还在不断完善中，但已经有一些研究成果表明，固态电池能够在较短时间内完成充电，未来有望实现像燃油车加油一样便捷的充电体验。而锂电池的快速充电技术虽然也在不断发展，但受到液态电解质的限制，在充电速度和安全性之间需要进行平衡，存在一定的局限性。未来展望：融合与创新展望未来，锂电池和固态电池技术都将朝着更高性能、更安全、更环保的方向发展。锂电池技术会在现有基础上不断优化，通过改进材料配方、优化电池结构和制造工艺，进一步提升能量密度，降低成本，提高安全性和循环寿命。比如，研发新型的正极材料，探索新的电解液配方，以解决锂电池在高温下的稳定性问题和安全隐患。同时，随着回收技术的不断进步，锂电池的回收利用率将大幅提高，减少对环境的影响，实现资源的可持续利用。固态电池技术则有望在未来取得更大的突破。随着研发的深入和技术的成熟，固态电池的生产成本将逐渐降低，生产工艺将更加完善，从而实现大规模商业化应用。未来，固态电池可能会在能量密度、充放电速度、循环寿命等方面实现质的飞跃，为人形机器人提供更强大的动力支持。例如，通过研发新型的固态电解质材料，进一步提高离子电导率，降低界面阻抗，实现更快的充放电速度和更高的能量转换效率。锂电池和固态电池技术也并非完全独立发展，它们之间可能会相互融合创新。一种可能的发展方向是开发半固态电池，这种电池结合了锂电池和固态电池的部分优点，在保留一定液态电解质的同时，引入固态电解质，以平衡性能和成本。半固态电池既可以利用固态电解质的高能量密度和安全性，又能借助液态电解质的良好离子导电性，提高电池的整体性能。此外，还可以探索将锂电池和固态电池应用于不同的工作场景或任务模块，根据人形机器人的实际需求，智能切换电池模式，实现最佳的能源利用效率。在未来，随着锂电池和固态电池技术的不断发展和融合创新，人形机器人的性能将得到进一步提升，应用领域也将更加广泛。我们有理由期待，在不久的将来，人形机器人能够在更复杂的环境中高效、安全地工作，为我们的生活和社会发展带来更多的惊喜和变革。总结：携手共进，拥抱未来锂电池和固态电池在人形机器人的发展进程中，都扮演着举足轻重的角色。锂电池凭借成熟的技术、完善的产业链和相对较低的成本，成为当下人形机器人的主要动力来源，在众多应用场景中发挥着关键作用，为机器人的普及和发展奠定了坚实基础。而固态电池作为后起之秀，以其高能量密度、高安全性和长续航能力等显著优势，展现出了巨大的发展潜力，有望在未来突破技术瓶颈，实现大规模应用，为人形机器人的性能提升带来质的飞跃。随着科技的不断进步，我们有理由相信，在锂电池和固态电池技术的持续创新与协同发展下，人形机器人将迎来更加辉煌的未来。它们将以更强大的动力、更持久的续航、更安全的运行，深入到我们生活和生产的各个角落，成为推动社会进步和发展的重要力量，为我们创造更加美好的生活。
2025-03-23
发表了主题帖：机器人技术核心知识——硬件组成与电机控制详解

机器人硬件框架概览在当今的机器人技术领域，硬件框架无疑构成了机器人运动与功能实现的核心基石。通过下图，我们可以清晰地看到机器人各个组件的布局与连接，包括负责感知的层次，如相机、芯片和传感器；驱动关节的系统，涵盖各类电机、传感器及轴承；以及整体驱动模块，其中包含了电池、传感器、冷却系统和FSD系统等关键部件。紧接着，我们进一步探索了那些为机器人硬件框架提供关键技术支持的供应商。这些供应商包括奥比中光、舜宇光学、绿的谐波以及汇川科技等，它们共同构成了从视觉传感器到关节驱动系统，再到整体驱动模块的全方位技术支持体系。机器人关节基本组成机械臂关节的构造包含多个关键部件，它们在性能和适用场合上各有特点。在电机方面，外转子电机以其高转矩密度特性，在飞行器和足式机器人中大放异彩；而内转子电机则因其出色的散热和稳定性，成为机械臂的优选。减速器是机械臂中的另一大关键部件，它包括行星减速器、谐波减速器和RV/摆线减速器。行星减速器凭借其高刚度和低成本，在足式机器人中大展身手；谐波减速器以其高精度和大减速比，在机械臂中独树一帜；而RV减速器则因其刚度大和减速比高，在工业机器人中占据一席之地。此外，编码器作为反馈装置，也起着至关重要的作用。它分为增量式和绝对值编码器，后者又分为单圈和多圈类型，以满足不同的输出和电机侧需求。同时，光电和磁编码器在不同环境下各有千秋，例如光电编码器适用于防尘环境，而磁编码器则能抵御电磁干扰。驱动器是驱动电机工作的核心部件，它分为集成一体化和分离式两类。集成一体化的驱动器体积小、走线简洁，适合协作机器人；而分离式驱动器则因其集中散热的特性，在工业机器人中更为适用。最后，制动器在机械臂中扮演着安全与定位的重要角色。电磁摩擦片以其稳定性著称，但成本相对较高；而电磁插销式制动器则以其小巧的身姿和低成本优势，在需要紧凑设计的场合中大放异彩，尽管其定位效果略显逊色。机器人电机控制基本原理三环PID控制是机器人电机控制中的核心算法，它融合了位置环、速度环和电流环，共同保障电机的精准与稳定运行。电流环作为最内层环路，专注于电机电流的直接控制，通过驱动器输出电压的调节来实现对电流的精确把控。由于电流与电机力矩紧密相关，因此电流环的关键作用在于确保电机输出所需力矩。速度环，作为中间环节，依据设定的目标速度与实际速度之间的差异来调整电流环。PID控制器通过调整电流参考值，引导电机以预定速度旋转。这一环节通过实时速度反馈，实现对电机加速与减速的精细控制，从而保障电机的平稳运行。而位置环，作为最外层环节，致力于确保电机精确达到目标位置。它通过比较设定的目标位置与实际位置反馈，利用PID控制器计算出所需的速度参考值，进而通过速度环对电机转速进行相应调节。这种三环结构不仅提高了控制的稳定性，更实现了精准度的大幅提升。电流环、速度环与位置环的协同作用，使得机器人电机能够在复杂环境下展现出卓越的性能。 FOC矢量控制 FOC（Field Oriented Control）矢量控制，作为一种高效的电机控制技术，在无刷直流电机和永磁同步电机中得到了广泛应用。其核心原理包括以下四个步骤：首先，通过坐标变换，将三相电流转化为二维坐标系中的直轴（d轴）和交轴（q轴）分量，这一步主要利用Park变换来实现。其次，进行解耦控制。在这一阶段，分别对d轴和q轴电流进行独立控制。d轴主要负责电机的磁通控制，而q轴则负责转矩的控制，从而实现对电机性能的精细调节。随后，逆变控制将d轴和q轴电流信号转换回三相电流，以驱动电机正常运转。最后，实时调节环节根据电机的实时状态（如转速、转矩等）对d轴和q轴电流进行动态调整，旨在优化电机性能并提升其运行效率。 FOC技术因其出色的动态响应、高效率和精确控制能力，在工业自动化和电动汽车等领域中发挥着至关重要的作用。机器人关节编码器与各类传感器机器人关节编码器是机器人关节控制系统中的核心部件，它包括电机端绝对值编码器、输出端多圈绝对值编码器等关键组件。这些编码器能够提供电机的精确位置反馈，确保机器人在各种工作状态下都能保持稳定和准确。此外，还包括无框力矩电机、精密谐波减速机、直流驱动器等组件，它们共同构成了高效、稳定的机器人关节控制系统。同时，温度传感器、摩擦式制动保持器和扭矩传感器等传感器的加入，进一步提升了系统的安全性和性能。编码器是机器人关节控制系统中的关键部件，其分类方式主要有两种。首先是按工作原理划分，光电编码器利用光源和光接收器的光信号变化进行位置检测，具有高精度和分辨率，适用于精密应用。而磁编码器则通过磁场变化进行位置测量，通常更耐用且对环境适应性强，适合在恶劣条件下使用。另一种分类方式是按信号输出方式来分。增量式编码器输出与位置变化相关的脉冲信号，通过计数来确定位置，非常适合需要实时速度和方向控制的场合。绝对值式编码器则每个位置都有唯一的编码值，能在断电后保持位置信息，因此适用于需要高精度和稳定性的应用。此外，还有单圈绝对值编码器，它在一个完整旋转内提供绝对位置反馈，适合位置范围较小的应用；以及多圈绝对值编码器，能够记录多个旋转圈数的位置信息，非常适合广泛的位置监测需求。接下来，我们将探讨机器人控制器的架构。传统工业运动控制系统通常由多个层次组成，包括组织层、协调层和执行层。组织层负责整个系统的高层管理和任务调度，通常由控制计算机进行作业控制，以协调各个运动控制任务。协调层则涉及运动控制卡的使用，主要负责运动规划与协调，确保各个运动部件能按预定轨迹和顺序运行。而执行层则由驱动器和电机组成，直接执行运动控制指令。每个电机都配备有编码器，用于实时反馈位置和速度信息。智能感知与运动控制系统集成了交互、感知、状态管理和运动规划等多项功能，通过传感器如摄像头和麦克风收集环境信息，并运用运动规划算法生成最优的运动轨迹。控制层则负责驱动电机和执行器，确保机器人能够精准地按照规划行动。该系统基于ARMA9和FPGA（如XilinxZynq）的强大硬件平台，支持多种通信接口，从而增强了系统的灵活性和扩展性。其卓越的综合能力使机器人在动态环境中能高效、安全地执行复杂任务，并与人类进行智能交互。机器人力传感器关节力传感器与电流估计力矩各有千秋。关节力传感器能实时、直接地反馈力和扭矩信息，具有高精度，并能测量复杂负载和力的方向。然而，其成本相对较高，安装和维护较为复杂，且易受环境因素干扰。相比之下，电流估计力矩通过监测电流来估算力矩，成本低廉、安装简便。但需要注意的是，其估计精度会受到电机特性和负载变化的影响，且无法提供力的方向信息。末端六维力传感器在机器人技术中扮演着至关重要的角色，其应用广泛且不可或缺。这类传感器能够实时监测机器人末端执行器所施加的力和扭矩，从而优化抓取策略，预防物体滑落，并实现碰撞检测，确保操作安全。在执行精密任务和人机协作时，这种传感器显著提高了机器人的灵活性和安全性，通过增强其环境感知能力，进一步提升了机器人应对复杂任务的能力。机器人触觉传感器智元机器人所采用的视触传感器，其触觉方案源自MIT的最新研究成果。这种传感器不仅能精准测量物体的三维几何形状，还能通过深入分析标记点的动态变化，智能推断出接触力和剪切力的大小与方向。这一技术突破为机器人提供了更为全面细致的环境感知能力，进一步拓展了其应用范围和灵活性。腾讯Robotic-X实验室研发的机器人灵巧手触觉传感器，其创新之处在于融合了多种先进技术。该传感器不仅能高效测量物体的三维尺寸，还能智能感知接触力和剪切力的大小与方向，为机器人带来了更加细腻的环境感知能力。这一技术的突破，无疑将进一步提升机器人在复杂环境下的操作灵活性和精准度。在现代机器人技术领域，视觉传感器发挥着不可或缺的作用。它们能够为机器人提供详尽的环境信息，助力其实现自主导航、精准物体识别以及高效任务执行。视觉传感器的种类繁多，每一种都有其独特之处，能够适应不同的应用需求。例如，单目摄像头因其简单的结构和低廉的成本，在物体检测和监控系统中得到了广泛的应用。双目摄像头则通过三角测量技术获取深度信息，非常适合用于三维重建和避障任务。3D摄像头凭借其集成的多种技术，能够实时提供深度信息，因而常被用于室内导航和增强现实领域。而结构光技术，通过投射特定光模式进行高精度测量，在机器人导航和机器视觉方面大展身手。接下来，我们将深入探讨这些视觉传感器的运作原理、各自优缺点以及具体的应用场景。机器人激光雷达激光雷达作为机器人视觉传感器的一种，具有独特的优势和应用。其工作原理是通过发射激光并接收反射回来的光信号，从而获取周围环境的三维信息。激光雷达的分类多样，根据不同的应用需求和性能特点，可以选择适合的激光雷达进行集成和开发。接下来，我们将深入了解激光雷达的分类及其在不同机器人应用中的作用。其分类主要依据线数，可分为单线激光雷达和多线激光雷达。单线激光雷达主要提供2D平面扫描图，而多线激光雷达，如4线、8线、16线等，能够识别物体高度并生成周围环境的3D扫描图。在机器人应用中，激光雷达发挥着至关重要的作用。以扫地机器人为例，其“导航”和“避障”功能便离不开激光雷达的助力。通过激光、视觉和dToF等技术，扫地机器人能将室内地形信息转化为地图，从而进行路径规划。其中，激光雷达因其高精度和广泛的应用优势而备受青睐。同时，避障方案的选择也至关重要。超声波技术虽曾广泛使用，但已被逐渐淘汰。视觉避障方案，包括单目和双目视觉，在处理复杂环境时表现出色，但需要较高的算力且容易受光照影响。红外线避障技术虽然精准，但难以识别深色物体。相比之下，线激光避障技术能够毫秒级识别物体轮廓，展现出较强的适应性。通过这些技术的综合运用，扫地机器人能够智能避障，显著提升清扫效率。
回复了主题帖： 2021年全国大学生电子设计竞赛H题用电器分析识别装置

讲的很好
回复了主题帖： MuJoCo 仿真 Panda 机械臂！末端位置实时追踪 + 可视化（含缩放交互）

新建get_body_pos.py的文件夹还要吗这么多代码啊