照明、センサー、通信技術は、自律移動ロボット (AMR) が現実世界を視覚化し、感知し、対話できるようにする重要な実現技術です。これを実現するために、温度センサー、画像センサー、LiDAR（3Dマッピング用）、回転位置センサー、可視光通信（VLC）センサーなど、さまざまな種類のセンサーが採用されています。この記事では、AMR設計の考慮事項について詳しく説明し、この分野でオンセミコンダクターが提供するソリューションを紹介します。
AMRの環境認識と相互作用を支援する
AMRには、環境を認識して監視し、環境と対話する能力が必要です。画像センサーと画像信号プロセッサは、AMRに視覚認識を提供し、周囲を移動したり物体を検出/認識したりできるようにする上で重要な役割を果たします。さらに、位置センサーを使用してAMRホイールやその他の可動部品の回転を測定し、3D位置と方向を正確に追跡できます。超音波センサーと赤外線センサーを使用して遠くの物体までの距離を測定し、AMRが障害物を検知して衝突を回避できるようにします。
LEDなどの照明技術により、AMRは困難な環境でも移動、通信、操作できるようになります。また、信号を発してロボットの状態や方向を示すためにも使用できます。AMRの照明技術を選択する際には、明るさ、色温度、消費電力などのパフォーマンス特性を考慮する必要があります。LEDコントローラとドライバは、LEDを流れる電流を監視し、特定の強度と波長の光をLEDが放射できるようにします。LEDドライバ回路は、ハイサイドおよびローサイドのパワーMOSFETを使用してLED電流のオン/オフを切り替え、過電圧および過電流保護を提供しながら、LEDドライバ回路の安定性を確保します。
通信技術により、AMRは他のデバイスやシステムにデータを送信したり、コマンドを受信したりできます。AMR通信技術を選択する際に考慮すべきパラメータには、動作範囲、データ レート、消費電力、セキュリティなどがあります。通信の動作範囲は、周囲の環境にある他のデバイスやシステムと許容可能な速度で通信できるように十分に長くなければなりません。バッテリー寿命を延ばすにはトランシーバーの消費電力を低く抑える必要があり、AMRデータとコマンドの破損を防ぐにはセキュリティが重要です。
Bluetooth Low Energy (BLE) ワイヤレス通信テクノロジーは、低消費電力を実現するように設計されており、AMRなどのバッテリー駆動デバイスに最適です。このプロトコルは、AMRと他のデバイス間でセンサー データと制御信号を送信するために使用されるさまざまなデータ転送速度をサポートします。BLEは屋内測位システムでも使用でき、AMRが動的な環境でナビゲートできるようになります。一方、産業用イーサネット通信プロトコルは、複数のAMRを調整するために必要なリアルタイム制御と高速通信を提供します。
さらに、VLCテクノロジーの使用により、AMRは他のデバイスや人間と安全に通信できるようになります。可視光スペクトルの範囲は430 THzから790 THzであるため、VLCはBLE、Zigbee、超広帯域 (UWB)、Wi-Fiなどの近くのワイヤレス テクノロジーに干渉しません。さらに、VLCは本質的に見通し内伝送に限定されているため、比較的安全です。
革新的なグローバルシャッターイメージセンサー
AMRの目的は現実世界と積極的にやりとりすることであり、onsemiは設計エンジニアがこの目標を達成するための最適な照明、センシング、接続ソリューションを選択できるようサポートします。
Onsemiは、グローバル シャッター イメージ センサーとローリング シャッター イメージ センサーの両方を含む、多様なイメージ センサーの選択肢を提供します。AMRアプリケーションのコンテキストでは、オンセミコンダクターのAR0234CSイメージ センサーには、120フレーム/秒のフル解像度で動くシーンを正確かつ迅速にキャプチャするように最適化された革新的なグローバル シャッター ピクセル設計が組み込まれています。このセンサーは、暗い場所でも明るい場所でも鮮明でノイズの少ない画像を生成します。
AR0234CSは、1/2.6インチ光学フォーマットと1920 (H) x 1200 (V) のアクティブ ピクセル アレイを備えた2Mp CMOSデジタル イメージ センサーです。自動露出制御、ウィンドウ化、行スキップ モード、列スキップ モード、ピクセル ビニング、ビデオ モード、シングル フレーム モードなどの高度なカメラ機能が含まれています。シンプルな2線式シリアル インターフェイスを介してプログラムできます。AR0234CSは業界をリードするグローバルシャッター効率を誇り、非常にシャープで鮮明なデジタル画像を実現します。連続ビデオと単一フレームをキャプチャする機能により、スキャン、自律移動、監視、産業品質管理などのさまざまなアプリケーションに最適です。
AR0234CSは、低暗電流/ホット ピクセル、高線形フル ウェルのサポート、低動作電力、小型フォーム ファクタ、組み込み統計エンジン、行および列スキップ モード、ピクセル ビニングなどの複数の機能モードを特徴とする、優れたグローバル シャッター効率を備えています。
精度と速度を兼ね備えた位置センサー
OnsemiのNCS32100は、精度と速度を兼ね備えた産業用回転位置センサーです。38mmのセンサー サイズを備え、6,000 RPMで50秒角の精度を実現します。 ±より低い精度が求められるアプリケーションでは、最大100,000 RPMの速度をサポートします。この新しいデバイスは特許取得済みの誘導位置検知方式を採用しており、産業およびロボット用途に非常に適しています。
NCS32100は、フル機能のコントローラとセンサー インターフェイスを提供し、プリント回路基板センサーと併用することで、高解像度で高精度の角度検知を可能にします。柔軟な構成オプションを提供し、さまざまな誘導センサー パターンに接続し、さまざまなデジタル出力形式を提供できます。誘導センシング技術は、従来の位置センサー ソリューションに比べて明確な利点があり、温度に対する無反応性、機械の簡素化、汚染物質に対する無反応性など、さまざまなシナリオに適用できます。
NCS32100は、半二重RS-485ドライバに接続するための2.5MHz UARTインターフェイスをサポートしています。フル精度での最大速度は6,000 RPM、最大機能ローター速度は45,000 RPMです。2.7V～5.5Vの電源電圧範囲内で動作し、マルチターンカウントトラッキング用のバッテリバックアップをサポートします。センサー インターフェイスは高度に構成可能 (最大8チャネル) であり、プログラム可能な過熱しきい値を通じてデバイスの内部温度を報告し、プログラム可能な低バッテリしきい値を通じてバックアップ バッテリ電圧を報告します。外部マスターデータ取得コマンドの応答時間は3µsと短く、フル動作電流はわずか80mAで動作します。このセンサーは自己キャリブレーションもサポートしており、20ビットの位置分解能と24ビットのマルチターン分解能、および遅延キャンセル機能を備えています。
AMR照明アプリケーションに適したLEDドライバ
onsemiのNVC7685 LEDリニア電流ドライバとNCL31000は、AMR照明アプリケーションに最適なインテリジェントLEDドライバです。
NVC7685は、最大60 mAの電流を持つ12個の線形プログラム可能な定電流源をサポートし、128個の異なるパルス幅変調 (PWM) 調整可能なデューティ サイクル レベルを可能にします。各チャネルは、PCを介して独立したPWMデューティ サイクル制御と、I2Cを介して一般的なPWMデューティ サイクル制御を行うことができます。NVC7685はI2Cシリアル インターフェイスを介してプログラムでき、PWM周波数は150、300、600、1200 Hzの4つの異なる構成から選択できます。
NVC7685は、I2Cバスを使用するマイクロコントローラ アプリケーションで使用することも、スタンドアロン アプリケーションで使用することもできます。スタンドアロン モードでは、2つの異なる静的構成設定を選択できます。このデバイスは、最大1 mAの負荷を持つアプリケーション向けに3.3 Vの電圧リファレンスも提供します。LEDの明るさレベルは、外部抵抗器を使用して簡単にプログラムできます。各チャネルには、オプションの自動回復モードを備えたオープン負荷状態を検出する内部回路があります。1つのドライバがオープン ロード状態の場合、プログラム可能なビット設定に基づいて他のチャネルをオフにすることができます。このデバイスは、コンパクトなSSOP24-EPパッケージで提供されます。
一方、NCL31000は照明アプリケーション向けに設計されたインテリジェントLEDドライバです。可視光をキャリアとして使用し、可視光通信 (VLC) と屋内測位機能をサポートします。最大10 kb/sの速度で単方向データを送信できます。NCL31000は、効率的な3A降圧LEDドライバ、高帯域幅アナログおよびPWM調光 (ゼロ電流まで)、マイクロコントローラやその他のセンサーに電力を供給する2つの補助DC-DCコンバータ、および入力および出力電流と電圧、LED温度、DC-DC電圧を測定する診断機能を備えています。
NCL31000には、3.3V降圧コンバータと調整可能な2.5 ～ 24V降圧コンバータによる高精度計測 (±1%) も統合されています。I2CまたはSPIシリアル インターフェイスをサポートします。NCL31001は、マルチチャネル ソリューションを可能にする機能限定バージョンです。
低電力Bluetoothトランシーバーと産業用イーサネット トランシーバー
onsemiのRSL15は、簡単に実装できる低電力Bluetoothワイヤレス アプリケーションに適したBluetooth 5.2認定トランシーバーです。正確な屋内測位を実現する主要機能として、到着角度 (AoA) と出発角度 (AoD) をサポートします。高度に統合された無線SoCにより、システム サイズとバッテリー寿命が最適化されます。
RSL15は、ARM Cortex-M33プロセッサをベースにしたBluetooth LE 5.2ワイヤレス マイクロコントローラ (MCU) およびカスタム プロトコル ベースの2.4 GHzトランシーバーです。産業および医療アプリケーションにおける相互接続されたスマート デバイス向けに設計されています。RSL15は、内蔵電源管理、広い電源電圧範囲、柔軟なGPIOおよびクロッキング スキーム、および広範な周辺機器セットを備えており、高性能および超低電力アプリケーションに最大限の設計柔軟性を提供します。RSL15には80 kBのRAMが搭載されており、284 kBまたは512 kBのフラッシュ メモリ オプションが提供されます。onsemiは、RSL15ソフトウェア開発キットで使用するために設計されたRSL15評価および開発ボード (EVB) も提供しています。RSL15のパフォーマンスと機能を評価し、デバイス用のソフトウェア アプリケーションの開発、デモンストレーション、デバッグを行うことを目的としています。
onsemiのNCN26010は、既存のツイストペア線ケーブルを使用して産業用アプリケーション向けのマルチドロップ イーサネット通信を可能にする10BASE-T1S産業用イーサネット トランシーバーです。このデバイスはIEEE 802.3cg規格に準拠しており、メディア アクセス コントローラ (MAC)、PLCA調整サブレイヤ (RS)、および産業用マルチドロップ イーサネット向けに特別に設計された10BASE-T1S PHYが含まれています。すべての物理層機能を提供し、単一のシールドされていないツイストペアを介してデータを送受信し、Open Alliance MACPHY SPIプロトコルを使用してホストMCUと通信できます。
NCN26010は、強化されたノイズ耐性 (ENI) を備えており、IEEE T1S標準をはるかに超えるノイズ耐性を拡張し、DPIおよびBCIノイズ耐性テストの最悪の条件に耐えることができます。これを有効にすると、ネットワーク カバレッジが大幅に改善され、競合他社のほぼ2倍になります。NCN26010独自の最小ライン ピン キャパシタンスにより、セグメントあたりのノード数が最大になり、25メートル セグメントで最大40ノードをサポートし、IEEEの最小標準を大幅に上回ります。これにより、ケーブル、コネクタ、およびインストールに関連するコストを削減できます。
結論
センシングおよびポジショニング技術の成熟に伴い、AMRは複雑な環境をナビゲートする能力が向上し、実用性が大幅に向上し、アプリケーションと市場が拡大しています。onsemiは、AMR設計の重要な要件を満たす重要なイメージ センサー、位置センサー、照明、通信デバイスを提供しています。また、onsemiは、AMR開発を加速するための開発ツールと技術サポートの完全なセットも提供し、お客様が市場機会をつかめるようにしています。