Hunter Freberg, Technical Marketing Engineer, onsemi
Bob Card, Marketing Manager ASG, onsemi
Los robots móviles autónomos (Autonomous mobile robots, AMR) están cada vez más presentes en muchos sectores, como en la fabricación, logística y almacenes, agricultura, comercio minorista, hostelería y restauración. Proporcionan varias ventajas, como mayores niveles de eficiencia y productividad, además de unos entornos de trabajo más seguros. Este artículo expone las aplicaciones de los AMR y los requisitos para los diversos componentes que los constituyen, desde motores y controladores hasta sensores, iluminación e interfaces de comunicaciones. También sugiere soluciones apropiadas de onsemi para cubrir rápidamente estos requisitos.
Figura 1: Soluciones para AMR basadas en productos de onsemi.
Aplicaciones y ventajas de los AMR
En la industria, los AMR se pueden utilizar para transportar productos y facilitar la implementación de procedimientos de control de calidad. Los AMR pueden ayudar en la carga y descarga de productos en logística y almacenes. Entre las ventajas que aportan los AMR a los agricultores se encuentran una monitorización más precisa de los cultivos y el análisis del terreno que dan como resultado una mayor productividad. Los sectores del comercio minorista, la hostelería y la restauración disfrutan de las ventajas de ofrecer un mejor servicio al cliente mediante el uso de AMR para entregar pedidos y guiar a los visitantes por las instalaciones, dejando así que el personal pueda interaccionar con los clientes. Las aplicaciones y los sectores donde se emplean AMR seguirá creciendo a medida que se desarrolle su tecnología.
Motores y control de motores en los AMR
Los actuadores accionados por motores son fundamentales en los AMR, ya que permiten mover brazos, plataformas elevadoras y ruedas. La selección de un actuador exige evaluar componentes como motores CC sin escobillas (brushless DC), controladores de motores, MOSFET, tarjetas controladoras universales (universal controller boards, UCB) y drivers de puerta. Los motores BLDC son muy eficientes, generan poco ruido y requieren menos mantenimiento, por lo que son más fiables y de ahí que se utilicen a menudo en los AMR. Gracias a su elevada relación entre par y peso, los controladores de motores pueden gestionar la velocidad y la dirección del motor con un perfil de movimiento preciso. Estos controladores pueden ser totalmente integrados (con un algoritmo de control embebido) o utilizar un microcontrolador especializado para implementar el algoritmo de control. Los motores BLDC trifásicos, que se usan a menudo en los AMR, están controlador por tres transistores de potencia en el lado alto (high-side) y otros tres en el lado bajo (low-side) conectados a los devanados del motor de modo que puedan alimentar estas bobinas y crear los campos magnéticos que hacen girar el rotor. Se utilizan algoritmos de conmutación para generar señales PWM (pulse width modulation) que se aplican a estos interruptores con el fin de conectarlos y desconectarlos. Algunos ejemplos de técnicas de conmutación son: sinusoidal, trapezoidal y control orientado a campo. Los semiconductores de potencia para control de motores en los AMR se suelen basar en silicio, ya que los BLDC utilizados en los AMR normalmente funcionan a 48V o menos. onsemi ofrece varias soluciones para control de motores BLDC destinadas al desarrollo rápido de AMR. Entre estas soluciones se encuentra el controlador de motores BLDC ECS640A ecoSpin™ ARM Cortex de 24V a 600V con controlador trifásico de puerta integrado, cuatro amplificadores de detección de precisión integrados y diodos de arranque integrados. onsemi también ofrece el driver de puerta para BLDC trifásico NCD83591 de 5V a 60V como solución de bajo coste.
onsemi dispone asimismo de un SoM (system-on-module) basado en el SoC Xilinx® Zynq®-7000 para BLDC. Esta Tarjeta Controladora Universal (UCB) es ideal para aplicaciones que requieran un control preciso y también se puede utilizar para implementar funciones de inteligencia artificial (IA). Para aplicaciones de control de motores de alto rendimiento en AMR, onsemi ofrece una gama de MOSFET de media tensión. Los nuevos MOSFET de silicio T10 de onsemi se basan en la tecnología shielded gate trench con una resistencia en conducción (RDSon) más baja, una menor carga de puerta y una funcionalidad inherente similar a la de un circuito amortiguador para reducir las sobretensiones y minimizar la oscilación. Los MOSFET T10 de 40V y 80V de onsemi tienen la mejor RDSon del mercado: 0,42mΩ y 1,5mΩ, respectivamente. También ofrecen una carga de puerta más baja y la mejor recuperación suave en su segmento para reducir los picos de tensión. Contacte con onsemi para más información sobre el NTMFS0D4N04XM, el NTMFWS1D5N08 y los otros MOSFET de media tensión de su catálogo.
Sensores para AMR
Los AMR necesitan monitorizar e interactuar con su entorno, por lo que precisan diferentes tipos de sensores para recoger los datos correspondientes. Entre los sensores que se suelen instalar en los AMR se encuentran sensores de temperatura, sensores de imagen, LiDAR (para generar mapas 3D), sensores de movimiento rotatorio y comunicaciones con luz visible (visual light communications, VLC). Los sensores de imagen y los procesadores de señales de imagen aportan percepción visual para permitir que el AMR navegue por su entorno detectando e identificando objetos y realizando las acciones apropiadas. onsemi ofrece sensores de imagen con “global shutter” y con “rolling shutter” que son ideales para esta aplicación. Por ejemplo, el sensor de imagen AR0234CS se basa en un innovador diseño de píxel de global shutter optimizado para capturar escenas de movimiento rápido con exactitud (120 fps) a máxima resolución, generando así imágenes nítidas para visión artificial o lectura de códigos de barras. Los sensores de posición miden la rotación de las ruedas o de otras partes móviles de un robot, lo cual permite seguir su posición y su orientación con exactitud. Los sensores de ultrasonidos e infrarrojos miden la distancia hasta objetos remotos para que el AMR pueda detectar obstáculos y evitar colisiones. El NCS32100 de onsemi es un sensor rolling shutter industrial que combina exactitud y velocidad. Incorpora un sensor de 38mm y proporciona una exactitud de +/-50 arcosegundos a 6000 RPM. En aplicaciones cuya exactitud sea más baja admite velocidades de hasta 100.000 RPM. Este nuevo dispositivo utiliza una técnica patentada para la detección inductiva de posición que resulta ideal para aplicaciones industriales y robóticas.
Alimentación de un AMR
Las tecnologías de la fuente de alimentación y la alimentación distribuida son componentes clave que influyen sobre la autonomía de la batería de un AMR y sobre su capacidad operativa. Al seleccionar el sistema de alimentación de un AMR, las características y los parámetros más importantes para su rendimiento son la densidad de energía, la tensión y la corriente necesarias, la eficiencia y el tamaño de la solución. La elevada densidad de energía y la larga vida útil de las baterías de iones de litio hacen que sean muy utilizadas en los AMR. Las unidades de gestión de alimentación regulan el suministro eléctrico entre la batería y otros componentes, mientras que la alimentación distribuida, formada por convertidores de conmutación y reguladores de tensión, se asegura de que reciban los niveles apropiados de tensión y corriente. Por ejemplo, el regulador reductor PWM síncrono FAN65008B alcanza una eficiencia máxima del 98% al reducir una entrada de 48V a una salida de 28V mientras suministra una corriente constante de 10A CC a la carga.
El controlador del factor de potencia NCP1632, el controlador LLC NCP1399 y el controlador rectificador síncrono NCP4307 funcionan juntos para optimizar la eficiencia al convertir de CA a CC en fuentes de alimentación de hasta 1kW.
Los MOSFET de carburo de silicio EliteSiC de onsemi son ideales para conversión CA/CC y CC/CC en aplicaciones de alta potencia, generalmente > 3kW. Para cargar la batería de un AMR se ha de convertir la fuente de CA de tipo residencial o industrial en una salida CC de media tensión utilizable. Los FET EliteSiC pueden ser beneficiosos tanto para la etapa de entrada CA/CC como para el lado primario del convertidor CC/CC. El lado secundario del convertidor CC/CC puede utilizar los MOSFET trench de onsemi optimizados para conmutación.
Iluminación
La importancia de las tecnologías de iluminación, como los diodos LED, es que permiten a los AMR navegar, comunicarse y funcionar en varios entornos. La iluminación también se usa para la señalización y para indicar el estado o la dirección de un AMR. Al seleccionar la tecnología de iluminación para un AMR, entre las características y los parámetros del rendimiento que conviene evaluar se encuentran el brillo, la temperatura de color y el consumo. Los controladores y los drivers de LED son componentes clave que monitorizan la cantidad de energía que circula por los LED y les permite emitir luz con una intensidad y una longitud de onda determinadas. Los circuitos del driver del LED utilizan MOSFET de potencia en los lados alto y bajo para conmutar la corriente del LED y protegerlos frente a sobretensiones y sobrecorrientes. También garantizan la estabilidad del circuito del driver del LED. El driver de corriente lineal de LED NCV7685 y el NCL31000 de onsemi son drivers inteligentes de LED ideales para aplicaciones de iluminación en AMR. El NCV7685 tiene doce fuentes lineales de corriente constante programables con una referencia común que permite 128 niveles diferentes del ciclo de trabajo con PWM ajustable. El NCL31000 cuenta con un driver de LED reductor de alta eficiencia que admite señal analógica de gran banda ancha y atenuación PWM (hasta corriente cero), dos convertidores CC/CC auxiliares y diagnóstico para monitorizar la corriente y la tensión de entrada y salida, la temperatura del LED y las tensiones CC/CC.
El NCL31000 admite VLC, que utiliza la luz visible como portadora para la transmisión unidireccional de los datos hasta 10kb/s. VLC permite que un AMR se pueda comunicar de forma segura con dispositivos y personas. Dado que el espectro de la luz visible es de 430 THz a 790THz, VLC no influirá sobre tecnologías inalámbricas cercanas como Bluetooth® Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee, UWB y Wi-Fi. VLC es segura porque está limitada inherentemente a la línea de visión. Las aplicaciones de navegación del AMR en almacenes recurren a sistemas de posicionamiento en interiores (Indoor Positioning Systems, IPS) basados en UWB, Bluetooth LE (ángulo de llegada/salida) y Wi-Fi, pero a veces la congestión o las interferencias de RF pueden afectar al IPS. Para mitigarlo se puede usar VLC como complemento al IPS de RF existente, instalando para ello la VLC en las lámparas del techo, de modo que cada una de ellas transmita un número único de identificación. Si el AMR contiene una base de datos del plano con la posición de cada lámpara y su número de identificación correspondiente, el AMR podrá navegar de manera autónoma con un simple fotodiodo orientado hacia el techo como indica la Figura 2.
Figura 2: AMR con VLC para el sistema de posicionamiento en interiores.
Comunicación
Las tecnologías de comunicación inalámbrica son vitales para los AMR ya que les permiten comunicarse e interactuar con otros dispositivos y sistemas transmitiendo datos y recibiendo instrucciones. Al seleccionar las tecnologías de comunicación para un AMR, entre las características y los parámetros de rendimiento que hay que tener presentes se encuentran la distancia operativa, la velocidad de transmisión de los datos, el consumo y la seguridad.
La distancia operativa debe permitir la adecuada comunicación con otros dispositivos y sistemas dentro de su entorno utilizando la velocidad apropiada para transmitir los datos.
El consumo debe ser lo bastante bajo como para preservar al máximo la autonomía de la batería, mientras que la seguridad es primordial para proteger los datos y las instrucciones del AMR frente a intentos de acceso o manipulación. Bluetooth Low Energy (BLE)es una tecnología de comunicación inalámbrica diseñada para un consumo bajo, de ahí que sea ideal para dispositivos alimentados por batería. Admite diversas velocidades para transmitir los datos del sensor y las señales de control entre un AMR y otros dispositivos. BLE también se puede usar en sistemas de posicionamiento en interiores para que los AMR puedan navegar en entornos dinámicos. El RSL15 de onsemi es un transceptor con certificación Bluetooth 5.2 para aplicaciones inalámbricas BLE fáciles de implementar compatibles con las principales funciones del ángulo de llegada y de salida para que el IPS sea exacto. El sistema en chip (SoC) de radio de alta integración optimiza el tamaño del sistema y la duración de la batería. Incorpora un procesador ARM Cortex-M33 y un transceptor de 2,4 GHz compatible con protocolos personalizados para Bluetooth LE a 5,2 y 2,4 GHz.
Cada AMR necesita también comunicación digital interna por cable para el control en tiempo real entre su ordenador central y cada controlador del motor, los controladores de iluminación y los sensores. CAN (2Mbps) o CAN-FD (5Mbps) han sido generalmente los protocolos escogidos a lo largo de años. Ambos protocolos se comunican a través de par trenzado no apantallado (unshielded twisted pair, UTP) y cada nodo se puede configurar en una topología multipunto en serie que disminuye el peso y el coste del cable. La Ethernet Alliance presentó recientemente 10BASE-T1S (10Mbps), un protocolo de comunicación digital basado en Ethernet IP que también es capaz de comunicarse mediante una topología multipunto en serie con un mínimo de 8 nodo y un mínimo de 25 metros de UTP o SPE (Single Pair Ethernet). La principal ventaja de 10BASE-T1S respecto a CAN y CAN-FD es su mayor velocidad de transmisión de los datos y un protocolo de comunicación basado íntegramente en IP, desde el núcleo hasta cada nodo, facilitando así la Inteligencia Artificial (IA) y el Aprendizaje Automático.
El transceptor 10BASE-T1S Industrial Ethernet NCN26010 de onsemi permite establecer una comunicación Ethernet multipunto para aplicaciones industriales utilizando el cableado de par trenzado existente. Este dispositivo es conforme a IEEE 802.3cg e incluye un controlador MAC (Media Access Controller), una subcapa de reconciliación (Reconciliation Sublayer, RS) PLCA y una capa física 10BASE− T1S diseñada para Ethernet industrial multipunto. Proporciona todas las funciones de la capa física para transmitir y recibir datos a través de un solo cable de par trenzado no apantallado y se puede comunicar con un microcontrolador principal utilizando el protocolo MACPHY SPI de Open Alliance.
Conclusión
Las aplicaciones de los AMR siguen creciendo en sectores diversos. No obstante, se trata de sistemas complejos que exigen integrar tecnologías muy dispares para que su funcionamiento sea autónomo, fiable y seguro. Su éxito depende de la selección de la mejor tecnología en la fase de diseño.
