Développement et solutions complètes pour robots intelligents

Alors que l'industrie se rapproche de l'Industrie 5.0 - la prochaine phase de la numérisation manufacturière - il existe une demande croissante pour une interaction améliorée entre l'homme et la machine ainsi que pour des fonctionnalités robotiques avancées. L'application des robots intelligents varie des bras robotiques aux robots de livraison autonomes sur roues, et même à des humanoïdes entièrement autonomes, avec des développements qui mûrissent progressivement. Contrairement aux robots industriels traditionnels, les robots intelligents utilisent une variété de capteurs, intelligence artificielle (AI) et algorithmes avancés pour interagir avec leur environnement, détecter les obstacles et collaborer avec les humains et autres machines.   Les avantages du déploiement de robots autonomes incluent une productivité et une efficacité accrues. Ils exécutent des tâches répétitives et/ou chronophages, permettant aux travailleurs humains de se concentrer sur des activités à plus forte valeur ajoutée. Les systèmes avec des charges utiles plus légères peuvent être alimentés par des batteries 12V, tandis que des tensions plus élevées (comme 48V) peuvent être utilisées pour réduire les courants opératoires, diminuant ainsi les tailles de câblage et les coûts.   Aujourd'hui, grâce aux progrès de l'intelligence artificielle, le marché mondial des robots intelligents connaît une expansion significative. Cela permet la construction de robots autonomes plus sophistiqués pouvant être déployés non seulement dans les entrepôts mais aussi en extérieur et dans des environnements moins contrôlés. Les robots autonomes offrent des solutions dans divers secteurs tels que le E-commerce, la fabrication et la santé et peuvent être hautement personnalisés.

Systèmes sécurisés de gestion de chargeur de batterie et de conversion de tension

onsemi a introduit une gamme complète de solutions robotiques intelligentes et mobiles adaptées aux applications dans les robots intelligents. Ces solutions sont très diversifiées, et les produits principaux seront présentés ci-dessous en fonction des blocs fonctionnels.
 
Tout d'abord, les chargeurs de batterie ne font pas partie du robot lui-même (hors-bord) et impliquent généralement la conversion de 120–230 Vac, monophasé, en une tension de batterie de 12–48 V. Les chargeurs peuvent être filaires ou sans fil. Les chargeurs AC/DC se composent généralement de deux sous-systèmes : un étage de Contrôleur de Facteur de Puissance (PFC) et un Convertisseur Résonant (LLC).
 
Dans le contrôleur de facteur de puissance, le NCP1680 est un contrôleur PFC CrM (Mode de Conduction Critique) en pont sans redresseur totem-pôle. Il prend en charge un mode CrM à temps constant et un repli synchronisé de fréquence de la vallée, permettant une optimisation de l'efficacité sur toute la plage de charge. Il dispose d'un suivi de ligne AC, d'une détection de phase AC, d'un schéma de détection de la vallée novateur et d'une détection du courant nul. Il élimine le besoin de composants externes tels qu'un capteur Hall pour la limitation du courant cycle par cycle et convient à des niveaux de puissance inférieurs à 350W. Un autre contrôleur de facteur de puissance, le NCP1681, est un contrôleur PFC multi-mode en pont sans redresseur totem-pôle. Il prend en charge le mode CCM (Mode de Conduction Continue) à fréquence fixe, le mode CrM à temps constant et le repli de fréquence de commutation de la vallée. Avec des schémas de détection de courant et de détection de la vallée propriétaires, il convient aux applications haute puissance, prenant en charge des applications multi-mode jusqu'à 1kW et des applications CCM dépassant 2,5kW.
 
De plus, le contrôleur hors ligne NCP4390 est un convertisseur résonant LLC côté secondaire avec contrôle de redresseur synchrone, emballé en SOIC-16. Il dispose d'un contrôle de rectification synchrone par suivi du double front, prend en charge une large plage de fréquences de fonctionnement (39kHz à 690kHz), empêche la commutation de tension non nulle (NZP) via une réduction de compensation (changement de fréquence) et permet des temps morts programmables pour les commutateurs côté primaire et SR.
 
La batterie, la gestion de batterie et les systèmes de conversion de tension constituent les composants embarqués du robot. En général, les robots mobiles utilisent des batteries lithium-ion ou lithium fer phosphate (LiFePO4). Les batteries lithium-ion sont plus courantes en raison de leur densité énergétique plus élevée. À l'inverse, les batteries LiFePO4 sont plus stables, moins sujettes à la surchauffe, et ont une tension nominale plus faible. Les systèmes de batterie les plus couramment utilisés sont de 12–48V, qui peuvent être connectés en parallèle pour améliorer les performances.
 
Une batterie typique de 24V a une capacité d'environ 50Ah et pèse environ 10kg. L'arbre d'alimentation fournit tous les rails de puissance de niveau logique et basse tension du système. Il ne nécessite généralement pas d'isolation (la tension de la batterie est inférieure à 50V) et fonctionne avec des régulateurs à faible chute de tension (LDO) pour implémenter plusieurs convertisseurs buck parallèles.
 
Le convertisseur FAN65008B d'onsemi est un régulateur buck synchrone qui intègre des MOSFETs de puissance côté haut et bas ainsi qu'un contrôleur PWM à fréquence fixe en mode tension. Il offre une large gamme de conversion de tension avec une efficacité dépassant 95 % à des courants de sortie supérieurs à 2A. Il prend en charge une large plage de tension d'entrée de 4,5V à 65V et délivre un courant de sortie continu de 10A. En outre, il prend en charge des fréquences de commutation programmables de 100kHz à 1MHz et inclut des fonctionnalités telles que l'arrêt thermique, l'UVLO, la protection contre les surcharges et les courts-circuits.

Fonctionnalités avancées de communication et de protection pour AMR/AGV

Tous les blocs constitutifs des systèmes AMR/AGV doivent communiquer entre eux. Actuellement, de nombreuses méthodes de communication sont disponibles. Traditionnellement, CAN, LIN, RS-485, RS232 et d'autres méthodes ont été utilisées. Cependant, toutes ces méthodes de communication peuvent désormais être remplacées par le 10Base-T1S, qui permet à plusieurs PHYs de se connecter à un bus commun en utilisant une seule paire torsadée. Cela réduit le nombre de ports de commutateur requis et élimine le besoin de passerelles. Le 10BASE-T1S nécessite uniquement une paire torsadée non blindée (UTP), réduisant significativement les coûts de câblage.   Le contrôleur Ethernet NCN26010 de onsemi est un contrôleur IC MAC+PHY Ethernet industriel 10Mb/s, prenant en charge le 10BASE-T1S et conforme à la norme IEEE 802.3cg. Il intègre un MAC et un PHY 10BASE-T1S et prend en charge le mode rafale PLCA. Si un nœud doit envoyer plus de données que tous les autres, il permet à chaque opportunité de transfert PLCA d'envoyer davantage de trames. Il prend en charge plus de huit nœuds sur 25m de câble UTP, offre une immunité au bruit améliorée, comprend une adresse MAC unique globale et est proposé dans un boîtier QFN à 32 broches.   En ce qui concerne la protection intelligente, des technologies comme l’eFuse et le SmartFET augmentent l’efficacité et la fiabilité tout en réduisant les temps d’arrêt des robots. L’eFuse est un fusible électronique auto-protégé et réarmable couramment utilisé pour surveiller la tension d’entrée/sortie, le courant de sortie et la température. L’eFuse prévient les surintensités, les surtensions et les températures élevées, protégeant ainsi les composants en aval, les connecteurs et les traces de circuits imprimés contre les dommages. Il peut être utilisé dans des scénarios de branchement à chaud et dans des situations nécessitant une limitation du courant d'appel. Le SmartFET est adapté à la protection des rails d’alimentation basse tension (par ex. 12V) en offrant une protection contre les courts-circuits, la gestion du courant d'appel, l'arrêt thermique avec redémarrage automatique pour prévenir les températures élevées. Il inclut également une protection contre les surtensions.   La solution de protection actuelle de onsemi, le NIS3071, est un eFuse à quatre canaux prenant en charge quatre canaux indépendants, chacun jusqu’à 2,5A et 60V. Il est hautement évolutif, avec des sorties combinables pour augmenter la limite de courant à 10A. Il prend en charge la protection thermique par canal, l’activation numérique, des broches communes de défaut, un contrôle ajustable du temps de mise en marche et une limite de surintensité réglable.   Le MOSFET protégé, NCV84045, est un driver haute charge à canal unique entièrement protégé, doté de fonctionnalités de protection avancées. Il prend en charge des entrées de commande compatibles CMOS, fournit des courants de sortie allant jusqu’à 32A et possède un RDS(ON) typique extrêmement faible de 50mΩ. Il offre un retour diagnostique avec sortie de détection de courant, une pince intégrée pour la commutation inductive, une protection contre la perte de masse et la perte de VD, ainsi qu’une protection ESD et une protection contre les courts-circuits.

Solutions complètes de contrôle moteur et de détection de position

Le processeur central (CPU) agit comme le "cœur" de tout le système, gérant toutes les communications internes ainsi que les interactions avec l’environnement extérieur. En fonction de la complexité du système, il doit disposer de capacités de calcul suffisantes. De plus, les robots intelligents nécessitent un support pour la Localisation et Cartographie Simultanées (SLAM), une méthode permettant de créer des cartes d’environnements inconnus. Les robots mobiles utilisent des algorithmes SLAM pour naviguer de manière autonome dans leur environnement. Par ailleurs, le contrôle du mouvement et des actionneurs est utilisé pour gérer les roues qui déplacent le robot. Les robots peuvent également utiliser des bras robotiques ou des mécanismes de levage pour manipuler des charges. Toutes ces fonctions reposent généralement sur des moteurs électriques sans balais (BLDC), qui nécessitent des algorithmes sophistiqués pour un contrôle précis.   Le pilote de porte NCD83591 d’onsemi est un pilote de porte triphasé idéal pour les applications industrielles. Il prend en charge une gamme d’alimentation de 5 à 60V et fournit jusqu’à 250mA de courant constant de commande de transistor FET. Il peut effectuer le PWM moteur jusqu’à 30kHz et propose un mode de commande indépendante à six portes. Il intègre des protections telles que UVLO, HBM et CDM ESD, tirage vers le bas interne des portes en cas de perte de puissance, et plus encore, et est proposé dans un boîtier QFN à 28 broches.   Le MOSFET NTMJST2D6N08H offre une résistance RDS(ON) de 2,8mΩ et une tension VDS de 80V, avec une faible capacité et charge de porte pour réduire les pertes de commutation. Il est proposé dans un boîtier TCPAK57 qui dissipe la chaleur par le dessus, abaissant les températures du PCB et améliorant l’utilisation du PCB.   Le MOSFET NTMFS0D4N04XM est un MOSFET 40V de classe supérieure de la famille T10M, conçu pour les entraînements de moteurs BLDC. Il prend en charge une résistance RDS(ON) de 0,42mΩ pour minimiser les pertes de conduction et est proposé dans un boîtier de 5mm x 6mm. Il présente d’excellentes caractéristiques de récupération douce, et ses faibles pics de tension réduisent le stress et les problèmes de CEM.   Les capteurs de position inductive mesurent la rotation des roues ou d’autres parties mobiles pour suivre avec précision leur position et leur orientation dans l’environnement. Ils peuvent faire partie de la commutation électronique pour le contrôle BLDC. Les encodeurs inductifs offrent de nombreux avantages par rapport aux systèmes optiques et magnétiques traditionnels, étant robustes, légers, nécessitant peu de composants et résistants aux vibrations ou à la contamination.   La solution de détection inductive NCS32100 est un système de capteur sans contact composé de deux cartes PCB : un rotor avec deux inducteurs imprimés (sans composants soudés) et un stator avec des inducteurs imprimés et un CI encodeur. Comparé aux solutions d’encodeurs optiques traditionnels pouvant nécessiter plus de 100 composants pour fonctionner, le NCS32100 nécessite uniquement 12 composants pour obtenir des systèmes fonctionnels minimaux.   Le NCS32100 d’onsemi calcule la position et la vitesse et propose un encodeur absolu, capable de déterminer sa position sans mouvement. Il prend en charge une précision totale à 6 000 RPM (jusqu’à 45 000 RPM). Un capteur de 38mm offre une précision de ±50 arcsecondes (0,0138 degrés) ou plus. Il peut différencier et rejeter les vibrations causées par le mouvement de rotation, prend en charge une résolution de sortie 20 bits mono-tour et 24 bits multi-tours, intègre un MCU CortexM0+ et est hautement configurable. C’est une alternative plus économique à divers encodeurs optiques, avec une fonction d’auto-calibration exécutable via une seule commande.

Solutions avancées d'éclairage, de capteurs et sans fil

Le robot peut être équipé de lumières LED pour indiquer sa présence aux personnes et aux autres robots. Par rapport aux anciennes sources lumineuses, les LED sont plus efficaces, plus légères et ont une durée de vie plus longue. Selon la couleur de la lumière, les robots peuvent indiquer des directions, signaler des états, et plus encore. En fonction de la puissance requise et de l'application, onsemi propose une variété de contrôleurs et de pilotes de LED.   Le pilote de LED linéaire NCV7685 est un pilote de courant linéaire à LED à 12 canaux avec support I2C, capable de piloter 12 canaux de courant constant parallèles, chacun fournissant un courant de détournement de 60mA. Il prend en charge 128 niveaux de cycle de service, chaque canal étant contrôlé indépendamment. Il inclut des options de diagnostic avancées et est conforme à la norme AEC-Q100.   Pour permettre des systèmes robotiques intelligents autonomes qui ne reposent pas sur un chemin défini (comme requis par les AGV), le système doit empêcher les collisions avec les obstacles ou d'autres robots et, surtout, éviter les collisions avec les humains. La détection de profondeur peut être réalisée à l'aide de divers capteurs tels que LiDAR, imagerie, radar et ultrasons, chacun ayant ses points forts et ses faiblesses.   La combinaison de données provenant de plusieurs modalités de capteurs est connue sous le nom de fusion de capteurs. La fusion de capteurs exploite les points forts de tous les capteurs, car aucune technologie de capteur unique ne peut fournir des informations fiables dans toutes les conditions. Plusieurs capteurs opérationnels peuvent travailler ensemble pour fournir un ensemble de données plus fiable.   La matrice de photomultiplicateurs en silicium RDM-0112A20 d'onsemi est un SiPM amélioré NIR conçu pour les applications LiDAR. Elle dispose d'une matrice de 12 pixels SiPM avec une anode commune, sans sortie rapide, une zone active de microcellule de 20x20 µm et une efficacité de détection de photons (PDE) de 16% à 905nm. La technologie de micro-lentilles permet une efficacité optique maximale, avec une tension d'opération recommandée de 30V.   Les photomultiplicateurs en silicium MicroFC-100 sont des SiPM de 1x1 mm adaptés au LiDAR de point unique ou 2D. Ils prennent en charge des sorties standard et rapides et offrent une sensibilité maximale dans la gamme visible. Selon la taille de la microcellule, ils ont une PDE supérieure à 18% à 420nm, avec une tension d'opération recommandée de 25.2V, et sont proposés en tailles de microcellules de 10, 20 ou 35 µm.   Les capteurs optiques peuvent être utilisés pour la détection de profondeur, la détection d'orientation ou pour fournir des fonctionnalités supplémentaires aux robots, telles que l'inspection ou la reconnaissance d'images. Différents sous-systèmes dans les robots peuvent contenir plusieurs capteurs d'image (IS) et processeurs IS. Ce sont les seules solutions de capteurs capables de détecter les couleurs. En utilisant des capteurs optiques, le système peut détecter les obstacles, améliorer la sécurité ou lire des informations (par exemple, données de codes-barres).   Le capteur d'image AR0234 d'onsemi est un capteur d'image numérique CMOS de 1/2.6” 2.3Mp avec une matrice de pixels actifs de 1920x1200. Il offre une efficacité exceptionnelle de l'obturateur global, d'excellentes performances en faible luminosité et infrarouge, et prend en charge l'exposition automatique, le fenêtrage et les modes de saut de ligne/colonne.   L'AR0822 est un capteur d'image numérique CMOS de 1/1.8” 8Mp avec une matrice de pixels actifs de 3840x2160. Il prend en charge l'obturateur roulant, eHDR intégré, une haute sensibilité, un faible bruit de lecture, une linéarisation intelligente pour atténuer les artefacts de mouvement et les scintillements LED, et une réponse NIR améliorée.   Les systèmes de connectivité sans fil peuvent être utilisés pour collecter des données de capteurs, surveiller et localiser, dans le cadre d'algorithmes SLAM. Le Bluetooth® Angle of Departure (AoD) est un système de positionnement intérieur qui fonctionne de manière similaire au GPS extérieur. Dans la méthode AoD, l'appareil émetteur utilise plusieurs antennes disposées en matrice pour transmettre un signal de 250kHz. L'appareil récepteur dispose d'une antenne et collecte les données au fur et à mesure que le signal de l'appareil émetteur le traverse, permettant ainsi le calcul de la direction du signal.   Le Bluetooth Low Energy RSL15 d'onsemi est une unité microcontrôleur sans fil (MCU) qui adopte la technologie Bluetooth 5.2 et un processeur sécurisé Arm® Cortex®-M33. Avec une gestion de l'énergie intégrée, des schémas GPIO et d'horloge flexibles, et une large plage de tension d'alimentation, l'appareil offre une flexibilité maximale pour des applications performantes et ultra-basse consommation. Il optimise l'efficacité énergétique, minimise la décharge de la batterie, réduit la taille de la batterie et prolonge la durée de vie des capteurs alimentés par batterie. Équipé d'un microcontrôleur ultra-basse consommation leader de l'industrie et d'un SDK facile à utiliser, il est le MCU Bluetooth® Low Energy sécurisé basé sur la mémoire flash le plus économe en énergie de l'industrie.

Conclusion

Le développement des robots intelligents progresse à un rythme sans précédent. De la production industrielle aux services domestiques, en passant par les domaines médical et éducatif, les scénarios d'application de la technologie robotique deviennent de plus en plus variés. Avec les avancées continues de l'intelligence artificielle, de l'Internet des Objets et des technologies de détection, les robots intelligents deviennent non seulement plus efficaces, précis et polyvalents, mais aussi mieux adaptés aux besoins humains. onsemi propose une gamme complète de solutions produit pour accélérer le développement des robots intelligents, aidant à construire un monde futur plus efficace, pratique et intelligent.