Autonome Roboter treffen auf Reisegepäck von Endverbrauchern

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Wenn man von „autonomen mobilen Robotern (AMR)“ spricht, stellen sich viele Menschen relativ große Robotersysteme vor, die in Auftragsabwicklungszentren, Lagerhäusern oder in verschiedenen industriellen Applikationen eingesetzt werden. Derzeit können sich nur wenige Menschen vorstellen, dass Rollkoffer, die mit künstlicher Intelligenz und Technologie für maschinelles Lernen (KI/ML) ausgestattet sind, ihren Besitzern pflichtbewusst auf ihren Reisen rund um den Globus folgen. Noch weniger können sich vorstellen, dass diese Technologie bereits heute kommerziell verfügbar ist. Das Zeitalter der KI/ML-Systeme und der Robotik für Endverbraucher ist angebrochen. Um diese Revolution zu ermöglichen, müssen die Ingenieure mehrere Hardware- und Software-Hürden überwinden, um die TSA-Zulassung zu erhalten und alle notwendigen elektronischen Systeme in einem kompakten Raum unterzubringen, der das Gewicht nicht wesentlich erhöht und gleichzeitig die Kosten wettbewerbsfähig hält.

Dieser Artikel soll die Leser über die Trends bei AMR-Systemen für Endverbraucher informieren, insbesondere über Gepäckstücke, und erörtert verschiedene Hardware- und Softwareprobleme sowie Designherausforderungen im Zusammenhang mit der Einführung von AMR-Systemen für Endverbraucher.

AMR-Gepäck für die Reisenden des 21. Jahrhunderts

Das Schleppen des Gepäcks durch Flughäfen, Bahnhöfe und Busbahnhöfe gehört für die meisten Menschen zu den größten Hindernissen bei Fernreisen. Daher ist es verwunderlich, dass es in den letzten Jahrzehnten kaum Innovationen bei der Gestaltung von Gepäckstücken gegeben hat. Während das Reisegepäck in den letzten 20 Jahren eine ästhetische Überarbeitung erfahren hat, hat sich in Bezug auf einen tatsächlichen technischen Fortschritt nicht viel getan. Doch glücklicherweise hat sich das in letzter Zeit geändert. Es gibt inzwischen kommerziell erhältliche AMR-Gepäcksysteme, die so konzipiert sind, dass sie ihren Besitzer dank bordeigener Systeme orten und ihm folgen können.

Dies ist eine bedeutende Entwicklung im Vergleich zu herkömmlichen intelligenten Gepäckstücken, zu denen auch Gepäcksysteme mit eingebauten Batterien zum Aufladen von Smartphones, GPS, Öffnungserkennung und einige, auf denen man sogar mitfahren kann, gehören. Bei den neuesten AMR-Gepäcksystemen kommt KI/ML-Technologie zum Einsatz, die den Besitzer dabei unterstützt, die komplexen und unübersichtlichen Umgebungen von zu Hause über eine Transitstation bis hin zum Zielort zu meistern. Diese Art der Unterstützung erfordert hochentwickelte Bildverarbeitungssysteme, Näherungserkennungssysteme, Smartphone-Schnittstellen und mobile Roboterelektronik.

Herausforderungen bei der Entwicklung von AMR-Systemen für Endverbraucher

Im Gegensatz zu industriellen AMR-Systemen sind AMR-Gepäckstücke für Enderbraucher relativ klein und müssen auch im Ruhezustand leicht und einfach zu bedienen sein. Darüber hinaus sind Industrieroboter so konzipiert, dass sie lediglich in gefährlichen Industrieumgebungen sicher arbeiten, während AMR für Endverbraucher in weniger kontrollierbaren Umgebungen sicher funktionieren müssen. Neben der allgemeinen Notwendigkeit, dass mobile Roboter effizient, zuverlässig und reaktionsschnell sein müssen, müssen kleine/persönliche AMR-Gepäcksysteme daher auch dem Chaos an belebten Verkehrsterminals und abgelenkten Benutzern Rechnung tragen. Dies erfordert eine relativ ausgefeilte KI/ML, die in der Lage ist, sich in einer chaotischen Umgebung, in der unbeabsichtigte Kollisionen unvermeidlich sein können, zurechtzufinden, darin dem Besitzer zu folgen und das richtige Ziel anzusteuern. 

AI-/ML-gestützte AMR-Sichtsysteme und -Näherungssensoren für Endverbraucher
Während ein 2D-Kamerabild einen Kontext liefern kann, ist ein Annäherungssystem erforderlich, um Entfernung und Tiefe von physischen Objekten zu bestimmen. Daher ist die Sensorfusion von entscheidender Bedeutung für kleine AMR-Gepäckstücke, von denen erwartet wird, dass sie ohne übermäßige Führung dem Benutzer folgen können.

Die Sensorfusion ist eine gängige Methode für ein Robotersystem, um einen besseren Einblick in die Umgebung zu erhalten, als dies mit einem normalen 2D-Kamerabild möglich wäre. Robotische Sichtsysteme waren früher ziemlich sperrig und teuer, sind aber zunehmend kleiner geworden, da Sichtsysteme und Näherungssensorpakete kompakter geworden sind und leichter für die maschinelle Bildverarbeitung verwendet werden können. 

Damit AMR-Gepäckstücke die schlanke Ästhetik modernen Gepäcks beibehalten kann, müssen die Näherungssensoren und das Bildverarbeitungssystem kompakt genug sein, um in ein glattes Profil zu passen, ohne zu auffällig zu sein. Dies führt zu zusätzlichen Platzproblemen für die Sicht- und Annäherungssysteme und erfordert ein höheres Maß an Integration, möglicherweise mit einem gemeinsamen Sicht- und Annäherungssystem auf einem einzigen kompakten PCB. Dieser Ansatz der Hyperkompaktheit kann auch erforderlich sein, um das Gewicht der AMR-Elektronik für den manuellen Einsatz zu reduzieren.

Ein Time-of-Flight-Sensor, der unsichtbares 940-nm-Infrarotlicht (IR) in einem kleinen Gehäuse verwendet, könnte daher ideal für eine solche Applikation sein. IR-Sensoren können durch Linsen geschützt werden, die bei IR-Frequenzen optisch klar, bei sichtbaren Lichtfrequenzen jedoch relativ undurchsichtig sind. Darüber hinaus gehören zu den Invarianten der Zielfarbe und des Reflexionsgrads auch Sensoren, die die VCSEL-IR-Technologie (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) für die Lichtlaufzeitmessung verwenden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Funktionsdiagramm eines VCSEL-Laufzeit-IR-Näherungssensors 511-VL53L5CXV0GC/1, ideal für den Einsatz in AMR-Gepäckapplikationen. (Quelle: Mouser Electronics)

AMR-Mobilität für Endverbraucher
Mobilitätssysteme sind ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt für kleine AMR-Systeme. Die Reaktionsfähigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit eines kleinen AMR-Systems hängt weitgehend von der Qualität des Designs und der Auswahl der Geräte/Komponenten ab, die in das AMR-Mobilitätssystem eingebaut werden. Ein typisches AMR-Mobilitätssystem umfasst die Elektromotoren, die Motortreiber und das Motorsteuerungssystem sowie den Energiespeicher, in der Regel eine elektrische Batterie. Hocheffiziente Motorsteuerungs-Mikrocontrollereinheiten (MCUs) sind wahrscheinlich die beste Option für eine derart kompakte und stromsparende Applikation. Andere Motorsteuerungslösungen sind möglicherweise weniger stromsparend und haben einen größeren Platzbedarf, auch wenn eine höhere Leistung möglich ist, wie beispielsweise FPGA-Lösungen (Field-Programmable Gate Array).

In einem kleinen AMR-Gepäck für Endverbraucher werden wahrscheinlich kleine bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) verwendet, in der Regel dreiphasig, um die für diese Applikation gewünschte Reaktionsfähigkeit und Effizienz zu erreichen. BLDC-Motoren erfordern jedoch eine spezielle Motorsteuerung und Treibertechnologie, die drei getrennte Phasen gleichzeitig ansteuern kann und über eine Sensoreingangsfunktion verfügt, sowie genügend Leistung, um die Berechnungslast der BLDC-Motorsteuerung zu bewältigen.

In der Vergangenheit erforderten Motorsteuerungssysteme wie dieses eine vollständige kundenspezifische Entwicklung jeder Funktion und die notwendigen Ressourcen, um eine funktionale Lösung iterativ zu entwickeln. Jetzt gibt es BLDC-Motorsteuerungen mit eingebetteten MCUs, die eine hochintegrierte Lösung bieten, die leicht kompakter und möglicherweise sogar effizienter sein kann als frühere, weniger integrierte Ansätze (Abbildung 2). Diese hochintegrierten Lösungen verkürzen die Entwicklungszeit, reduzieren die PCB-Fläche und minimieren die Gesamtkomplexität der Stückliste (BOM).

Abbildung 2: Eine hochintegrierte Motorsteuerung/MCU, wie der STMicroelectronics STSPIN32G4, kann erweiterte Motorsteuerungsfunktionen und -verarbeitungen in einem einzigen Gehäuse bieten. Das Bild oben zeigt das STMicroelectronics EVSPIN32G4 Demonstration Board mit dem STSPIN32G4 System-in-Package (SiP) und STL110N10F7 Leistungs-MOSFETs. (Quelle: Mouser Electronics)

AMR-Drahtloskommunikation für Endverbraucher
AMR-Gepäck für Endverbraucher muss auch leicht bereitgestellt und vom Benutzer mit normalen Mitteln kontrolliert werden können. Darüber hinaus kann moderne Elektronik von OTA-Upgrades (Over-the-Air) profitieren, insbesondere bei neuen und experimentellen Produkten wie AMR-Gepäck. Das bedeutet, dass AMR-Gepäcksysteme auch eine Vielzahl von Funkstandards einbeziehen müssen, um mit dem Smartphone des Benutzers kompatibel zu sein, aber möglicherweise auch mit anderen IEEE 802.15.4-Funkprotokollen für Tests, Diagnosen oder die Integration anderer Smart-Home-Funktionen verbunden werden können.

Angesichts der Platz- und Leistungsbeschränkungen von AMR-Gepäck können separate drahtlose Chips den Platz auf der Leiterplatte erheblich vergrößern, vor allem wenn man bedenkt, dass die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) eines Designs eingehalten werden muss. Daher könnte ein Mikrocontroller mit eingebauter Wireless-Fähigkeit, wie Bluetooth® Low Energy 5 (BLE5) und IEEE 802.15.4™ Kommunikationsprotokolle, den Entwicklungsprozess erheblich erleichtern und eine schnellere Entwicklung eines drahtlosen AMR-Gepäcks ermöglichen (Abbildung 3).

 Abbildung 3: Ein drahtloser Multiprotokoll-Mikrocontroller-System-on-Chip (SoC) kann für das Design und die Entwicklung von IoT-Geräten von großem Nutzen sein und gleichzeitig die Akkulaufzeit von Anwendungen verlängern. (Quelle: Mouser Electronics)

Fazit

Fliegende Autos befinden sich zwar noch in der Entwicklung, aber ein robotergestütztes Gepäck, das seinem Benutzer autonom folgt und einige der Strapazen auf Langstreckenreisen beseitigt, ist bereits heute verfügbar. In der Zukunft werden weitere innovative Ideen für robotergestütztes Gepäck auftauchen, die sich alle mit der Aufgabe beschäftigen müssen, autonome mobile Robotersysteme in ein sehr kompaktes Paket einzupassen und gleichzeitig Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten.