芝能智芯出品

隨著傳感器、電子器件和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人正從單一功能的自動(dòng)化工具演變?yōu)榫邆涓叨茸灾餍耘c智能化的復(fù)雜系統(tǒng)。

我們根據(jù)NXP的《Exploring Mobile Robotics: Real-Time Control, Autonomy, and Performance Optimization》，來(lái)看移動(dòng)機(jī)器人的四大賦能技術(shù)——邊緣處理、電源、傳感器及通信與連接，并聚焦恩智浦（NXP）在這些領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案。

NXP的MCX系列微控制器通過(guò)集成神經(jīng)處理單元（NPU）和糾錯(cuò)功能，為移動(dòng)機(jī)器人帶來(lái)高效邊緣計(jì)算與高可靠性；氮化鎵（GaN）技術(shù)和新興電池化學(xué)材料則提升了電源效率與續(xù)航能力；傳感器與SLAM算法的進(jìn)步增強(qiáng)了環(huán)境感知；而5G與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則推動(dòng)了機(jī)器人間的協(xié)作與遠(yuǎn)程操控能力。

這些技術(shù)的融合不僅驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人性能的飛躍，也為工業(yè)自動(dòng)化、服務(wù)機(jī)器人等場(chǎng)景開(kāi)辟了廣闊前景。

本文將探討這些技術(shù)的工作原理、NXP的具體貢獻(xiàn)及未來(lái)趨勢(shì)。

Part 1

移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)基石

與NXP的邊緣處理與電源方案

移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)技術(shù)革命，激光雷達(dá)、視覺(jué)攝像頭及傳感器融合技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的二維碼和磁條，成為實(shí)現(xiàn)更高靈活性、安全性和精度的關(guān)鍵導(dǎo)航技術(shù)。

隨著自主服務(wù)提供商通過(guò)人工智能和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)提供先進(jìn)的導(dǎo)航解決方案和軟件支持，移動(dòng)機(jī)器人制造商得以增強(qiáng)其產(chǎn)品的性能與功能。尤其在倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)中，人工智能和深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用預(yù)示著行業(yè)模式的重大轉(zhuǎn)變。

● 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)也面臨著諸多挑戰(zhàn)：

◎ 首要關(guān)注的是安全性，特別是在自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）和自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）的操作環(huán)境中，確保人員安全至關(guān)重要；

◎ 可持續(xù)性也是一個(gè)核心議題，旨在通過(guò)機(jī)器人化提高倉(cāng)庫(kù)流程效率，從而降低整體能耗；

◎ 為了應(yīng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)吞吐量的波動(dòng)，開(kāi)發(fā)出能夠快速且經(jīng)濟(jì)高效響應(yīng)變化的靈活機(jī)器人系統(tǒng)顯得尤為關(guān)鍵。

● 邊緣處理：從MCU到NPU的智能躍遷

移動(dòng)機(jī)器人的核心在于實(shí)時(shí)決策與自主性，而邊緣處理技術(shù)的進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

20年前，Arm推出的Cortex-M系列奠定了低功耗微控制器（MCU）的技術(shù)基礎(chǔ)。如今，基于Cortex-M33的NXP MCX N系列MCU將邊緣處理推向新高度。

該系列集成了eIQ Neutron神經(jīng)處理單元（NPU），支持卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）等復(fù)雜模型，機(jī)器學(xué)習(xí)吞吐量較純CPU提升高達(dá)42倍，同時(shí)降低功耗與喚醒時(shí)間。

MR-VMU-RT1176 是一款車(chē)輛管理控制器，集成了 IMU 控制和網(wǎng)絡(luò)接口。它基于高性能的 i.MX RT1176 雙核 MCU，擁有 Cortex - M7（1.0GHz）和 Cortex - M4（400MHz）內(nèi)核。

● 軟件方面，搭載 Zephyr RTOS 和 Cognipilot 車(chē)輛控制軟件，針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用還有 NuttX RTOS 和 PX4 自動(dòng)駕駛儀 。

● 模塊和載板符合 DroneCode PixHawk V6X - RT 標(biāo)準(zhǔn)。配備豐富傳感器，包括雙 6 軸 IMU、氣壓計(jì)、磁力計(jì)、3 軸磁力計(jì)和 GNSS 模塊 。

● 設(shè)有外部加密 QSPI Flash，支持 ECC 以保障 Cache 和 TCM 容錯(cuò)運(yùn)行，具備 SDCARD 接口。

● 網(wǎng)絡(luò)連接上，支持 2 線 100Base - T1 以太網(wǎng)（帶 TSN） ，擁有三 CAN FD 總線（配 CAN - SIC 收發(fā)器）。

還集成 SE050/51 EdgeLock 安全元件，提供 USB - C、I²C、SPI、UART、雙 GPS 等接口 ，具備 12 路 PWM 輸出，采用雙冗余電源輸入，涵蓋 ADC、RC、DSM、NFC 等功能。

MR-CANHUBK344 是一款用于車(chē)輛管理與連接的產(chǎn)品。

● 在接口方面，它支持高速 CAN SIC（速度高達(dá) 8Mb/sec）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)整合 ，配備 6 個(gè) CAN 收發(fā)器（2 個(gè) FD、2 個(gè) SIC、2 個(gè) FD Secure） ，擁有 100BASE - T1 以太網(wǎng) PHY ，通過(guò) DroneCode 標(biāo)準(zhǔn) JST - GH 連接器可訪問(wèn) GPIO ，具備 6 個(gè) UART、2 個(gè) SPI、3 個(gè) I²C（其中 1 個(gè)用于連接 0.91 英寸 OLED） ，設(shè)有 IMU 連接器用于連接輔助傳感器，還有可配置的 PWM 用于驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

● 安全與認(rèn)證上，采用 EdgeLock® SE050 安全元件（帶 NFC 天線連接器） ，基于 CAN 實(shí)現(xiàn)硬件安全防護(hù)（涵蓋認(rèn)證、拒絕服務(wù)和協(xié)議攻擊防范） 。

產(chǎn)品配有 10 個(gè)狀態(tài) LED 指示燈 。開(kāi)箱即用的硬件可加速板卡設(shè)置，包括 DCD - LZ 編程適配器板（用于訪問(wèn)控制臺(tái) UART） 、0.91 英寸小型 OLED 顯示屏、連接安全元件的 NFC 天線，以及所需的連接器和線纜。

● 軟件支持方面，提供 S32 Design Studio 工具 ，有 IEEE 1722CAN over Ethernet 示例應(yīng)用 ，依托 Zephyr RTOS 和 NuttX RTOS 開(kāi)源代碼庫(kù) ，還有 NuttX/PX4 基礎(chǔ)示例 。

此外，基于 S32K344 + FS26 的功能安全解決方案符合 IEC61508 SIL2 標(biāo)準(zhǔn)。

NAvQPlus Companion Computer 是一款主計(jì)算機(jī)與視覺(jué)設(shè)備。

它基于 i.MX8M Plus 打造開(kāi)放參考設(shè)計(jì)，采用 NXP EVK SOM，第三方也可進(jìn)行定制。

● 具備機(jī)器學(xué)習(xí)能力，借助 2.3TOPS NPU 加速器，搭配 eIQ ML 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持 TFLite、ArmNN、ONNX 。擁有 PCIe 擴(kuò)展功能，AI/ML 加速器性能在 8 到 40 TOPS 之間。

● 系統(tǒng)方面，支持 Yocto Linux、Ubuntu POC 以及 ROS2 。

● 網(wǎng)絡(luò)連接上，配備 WiFi 5 / BTLE 5.0（村田 LBEE5QDIZM 模塊） 。

● 視覺(jué)功能突出，搭載雙 MIPI 攝像頭，集成 ISP 和硬件編解碼器加速器 。

● 設(shè)有雙以太網(wǎng)接口，包括 100BaseT1 “2-Wire” 和 IX 工業(yè) 1GB 接口 。具備 2 個(gè) USB - C 接口，支持最高 20V 電源輸入，還有外部電源輸入接口。

● 安全層面，集成 SE050 EdgeLock 安全元件并帶有 NFC 接口 。配備 RTC（PCF2131），具備防篡改時(shí)間戳功能 。

● 顯示方面，支持同時(shí)連接 MIPI、LVDS、HDMI（帶 CEC）三種顯示設(shè)備 。

Part 2

傳感器與通信技術(shù)

的突破與協(xié)同效應(yīng)

傳感技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人感知環(huán)境的核心驅(qū)動(dòng)力。視覺(jué)系統(tǒng)的進(jìn)步得益于NPU的支持，使實(shí)時(shí)圖像推理成為可能。以MCX N系列為例，其N(xiāo)PU可處理每秒數(shù)十幀的高清圖像，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)與分類，適用于倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人揀選或服務(wù)機(jī)器人交互。

激光雷達(dá)（LiDAR）則在3D深度感知中占據(jù)重要地位。GaN器件的超快脈沖特性將激光雷達(dá)的分辨率提升至厘米級(jí)，結(jié)合同步定位與映射（SLAM）算法，導(dǎo)航精度提高約50%。

例如，在非受限環(huán)境中（如戶外巡檢），SLAM與激光雷達(dá)的融合使機(jī)器人能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑，避開(kāi)障礙物。

機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步優(yōu)化了3D數(shù)據(jù)處理，通過(guò)訓(xùn)練模型識(shí)別復(fù)雜場(chǎng)景（如人群密集區(qū)域），增強(qiáng)了態(tài)勢(shì)感知能力。

從工程視角看，傳感器技術(shù)的挑戰(zhàn)在于數(shù)據(jù)融合與實(shí)時(shí)性。NXP的邊緣處理方案通過(guò)硬件加速（如DSP協(xié)處理器）與低功耗設(shè)計(jì)，解決了多傳感器數(shù)據(jù)處理的延遲問(wèn)題，確保機(jī)器人對(duì)環(huán)境的快速響應(yīng)。

在定位與建圖（SLAM）的 AI 應(yīng)用中，路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)算法如 A * 算法能高效找到最短路徑 ，迪杰斯特拉算法可確保路徑的安全性 ，快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)（RRT）算法則適用于復(fù)雜環(huán)境。

而 AI 賦能的方法包括深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL），用于訓(xùn)練自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航 ；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可預(yù)測(cè)障礙物并動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑 ；基于行為的 AI 能模擬人類決策，使導(dǎo)航更順暢。

先進(jìn)的 AI 能力方面，動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)讓 AMR 能從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，隨時(shí)間推移優(yōu)化導(dǎo)航 ，預(yù)測(cè)模型幫助機(jī)器人預(yù)判障礙物（如移動(dòng)的人員、叉車(chē)等）。

多機(jī)器人協(xié)調(diào)中，AI 驅(qū)動(dòng)的群體機(jī)器人技術(shù)使多個(gè) AMR 能協(xié)調(diào)路徑、避免碰撞 ，去中心化 AI 助力機(jī)器人高效通信與任務(wù)分配。

在人機(jī)交互上，AI 讓機(jī)器人能識(shí)別并響應(yīng)人類手勢(shì)、語(yǔ)音指令和社交暗示 ，提升共享工作空間的安全性。

小結(jié)

移動(dòng)機(jī)器人正處于技術(shù)革新的風(fēng)口，邊緣處理、電源、傳感器與通信四大賦能技術(shù)的突破為其注入了新的生命力。

NXP通過(guò)MCX系列MCU、GaN解決方案及通信模塊，提升了機(jī)器人的智能化與可靠性，還推動(dòng)了其在工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從糾錯(cuò)功能保障內(nèi)存完整性，到NPU加速機(jī)器學(xué)習(xí)，再到5G支持群體協(xié)作，NXP的方案為移動(dòng)機(jī)器人生態(tài)提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

       原文標(biāo)題 : NXP移動(dòng)機(jī)器人方案：邊緣處理、電源、傳感器及通信