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  • 2025-5-12 10:46
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    从实验室到市场:移动机器人产业全景透视,谁在抢占未来高地?
    移动机器人:行业图景与发展洞察 在当今智能制造与智慧物流快速发展的时代背景下,移动机器人行业正以前所未有的力量重塑人类的生产方式与产业格局。过去十年间,中国的 AGV(Automated Guided Vehicle,自动导引车)/AMR(Autonomous Mobile Robot,自主移动机器人)产业实现了令人瞩目的 43.18% 的年复合增长率,成功从全球技术追随者跃升为创新策源地,成为推动制造业升级和物流效率提升的关键力量。 从汽车工厂的物料搬运到电商仓库的智能分拣,从半导体车间的精密运输到港口码头的全天候作业,移动机器人广泛应用于各个领域,不仅大幅提升了人工效率和仓储空间利用率,更在危化品处理等高风险领域实现了零事故突破,展现出其在保障生产安全和提升生产质量方面的巨大潜力。 当前,移动机器人的应用场景正不断拓展,从工业场景向电商、运输物流等领域渗透,从室内走向室外,从生产物流延伸至港口物流。与此同时,与 5G 通信技术以及 AI 大模型的深度融合,预示着具身智能体的诞生已指日可待。这场由移动机器人引领的智能革命,正在重新定义生产力的标准,并塑造人机协作的新文明范式,为人类的生产生活方式带来深远的变革。 一、近十年行业发展:从起步到腾飞 (一)市场规模与增速:爆发式增长的十年 2015 - 2025 年,中国移动机器人(AGV/AMR)行业经历了爆发式增长的黄金时期。2015 年,行业销售额仅为 12 亿元,销量为 1.13 万台。然而,自此之后,市场规模持续快速扩张,至 2023 年,销售额已攀升至 212 亿元,销量达到 12.5 万台。据预测,到 2025 年,销售额将突破 289 亿元,销量有望达到 15.39 万台,年复合增长率(CAGR)始终保持在 43.18% 的高位水平。 从增长率的具体变化来看,2020 年销售额增长率达到 35%,而 2023 年则有所放缓,为 14.59%,不过预计 2025 年将再次回升至 20%。销量方面,2020 年增长尤为显著,从 2015 年的 1.13 万台跃升至 4.1 万台,到 2024 年更是增长至 13.9 万台,相较于 2015 年增长超过 12 倍,这一惊人的增长幅度充分彰显了移动机器人市场在近年来所蕴含的巨大潜力和旺盛的生命力。 在产能利用率与全球市场占比方面,2025 - 2030 年的相关数据预估显示,2025 年行业产能预计达到 150 万台 / 年,产量为 130 万台 / 年,产能利用率为 86.7%,市场需求量则高达 140 万台 / 年,占全球市场份额的 28.5%。随着时间的推移,产能、产量和需求量均呈现稳步上升趋势,同时全球市场占比也将逐步提升,这意味着中国移动机器人行业在全球舞台上的影响力和话语权将不断增强,有望在未来的全球市场竞争中占据更加有利的地位,引领全球移动机器人产业的发展潮流。 (二)行业应用分布:多样化需求驱动市场分化 不同行业对移动机器人的需求呈现出明显的差异化特征。在新能源行业,由于其生产过程对机器人的负载能力和稳定性有着极高的要求,因此该领域对移动机器人的需求增速最快,年复合增长率超过 50%。随着全球对清洁能源的日益重视,光伏、锂电等新能源产业蓬勃发展,对自动化生产和物流的需求大增,推动了移动机器人在新能源领域的广泛应用,成为移动机器人行业增长的重要驱动力之一。 汽车制造行业则对机器人的精度和可靠性要求较高,移动机器人在该领域主要用于实现生产线的物料搬运、零部件装配等任务,能够有效提高汽车生产的自动化水平和质量稳定性,助力汽车制造企业提升生产效率和产品质量,适应市场竞争的需要。 电商物流行业则是移动机器人的另一大重要应用领域。电商的快速发展导致物流订单量呈爆发式增长,移动机器人在该领域的应用可实现自动化分拣、智能运输等功能,大大提高了物流效率和准确性,有效缓解了物流高峰期间的仓储和配送压力,提升了消费者购物体验,成为电商企业提升竞争力的关键因素之一。 3C 电子行业由于产品更新换代迅速、生产工艺复杂,对生产的柔性化要求极高,AMR(自主移动机器人)的渗透率在该领域逐渐提升,以满足不同产品的生产需求,帮助企业实现快速换线、灵活生产,降低生产成本,提高市场响应速度。 二、技术演进与产品创新:创新驱动行业发展 (一)导航技术迭代:从简单到智能 在移动机器人的发展历程中,导航技术的迭代升级起到了关键的推动作用。 2015 - 2020 年期间,磁条 / 二维码导航技术占据主导地位。磁条导航需要在地面铺设磁条,机器人通过感应磁条信号来实现导航;二维码导航则是在地面张贴二维码,机器人通过扫描二维码确定自身位置。这两种技术成本相对较低,但在灵活性方面存在不足,路径更改较为困难,活动范围也受到一定限制,难以满足复杂多变的应用场景需求。 2020 年以后,激光 SLAM(即时定位与地图构建)技术逐渐普及并成为主流。该技术利用激光雷达扫描周围环境,实时创建地图并确定机器人自身位置,无需预先铺设轨道或标记。AMR(自主移动机器人)采用激光 SLAM 技术的占比从 10% 迅速提升至 60%。激光 SLAM 技术具有更高的灵活性和自主性,能够适应复杂多变的环境,大大拓展了移动机器人的应用场景,使其能够在更多领域发挥重要作用,如在动态变化的仓库环境中实现高效、精准的货物搬运和存储。 到了 2024 年,多传感器融合技术成为行业发展的主流趋势。这种技术结合了视觉、激光雷达和IMU(惯性测量单元)等多种传感器的数据,实现了更精准的定位和环境感知。例如,视觉传感器可以识别物体和场景特征,为机器人提供丰富的视觉信息;激光雷达则能够提供高精度的距离信息,帮助机器人精确测量与周围物体的距离;IMU 用于测量机器人的姿态和运动状态,使其能够更好地感知自身在空间中的位置和运动变化。通过多传感器数据的融合处理,机器人能够在复杂环境中做出更准确的决策,同时支持 5G 实时决策,进一步提升了机器人的响应速度和智能化水平,为移动机器人在更广泛的领域和更复杂的任务中的应用提供了坚实的技术支撑。 在导航技术的发展过程中,Flash 纯固态激光雷达逐渐崭露头角,展现出独特的优势。其超小体积和超轻重量,使得机器人设计更加灵活,能够轻松应用于各种小型移动机器人,而不增加额外的负担。同时,超高线束的特点让机器人对环境的感知更加细致和精准,即使在复杂场景下也能实现高效、准确的导航,为移动机器人在高精度导航需求领域的应用提供了有力保障。 (二)典型产品创新:满足多样化需求 1.仓储机器人 2024 年,复合机器人成为行业热点。它集成了机械臂与 AMR,能够实现更复杂的操作任务,如在半导体生产线上完成芯片的搬运、检测和装配等工作,以及在医疗领域协助医护人员进行药品配送和样本运输等任务。头部企业通过持续的技术创新和专利布局,不断提升复合机器人的性能和应用范围。Flash 纯固态激光雷达的高精度环境感知能力为复合机器人的复杂操作提供了有力支持,使其能够在各种精细和复杂的生产环境中稳定、高效地运行,为高端制造业和医疗等领域的自动化升级提供了新的解决方案,推动了相关行业的技术进步和发展。 2.无人叉车 2018 - 2020 年期间,无人叉车开始兴起,并在随后的几年中迅速发展。2023 年,无人叉车销量达到 1.95 万台,同比增长 46.62%。无人叉车装有自主导航装置,能在无人操作状态下完成物料搬运等工作,具有稳定性高、灵活度大的特点,特别适用于高危环境。此外,无人叉车还可联通数据系统对货物搬运工作进行实时监督,从而提升工作效率。在无人叉车的导航技术升级过程中,Flash 纯固态激光雷达发挥了重要作用。其超高线束能够为无人叉车提供更精确的环境感知,使其在复杂仓储环境中实现高效、安全的货物搬运,降低人工操作风险,提高物流搬运的自动化程度和可靠性。 3.仓储机器人 2015 年,类 KIVA 仓储机器人开始出现,极智嘉、快仓等企业推出的相关产品推动了电商仓储效率的大幅提升。这类机器人通过在仓库地面铺设的网格轨道运行,实现货物的快速搬运和存储,使电商仓储效率提升了 50% 左右。头部企业在仓储机器人领域积极布局大量技术专利,涵盖导航算法、调度系统等核心技术,不断优化机器人的性能和功能,提高仓储机器人的智能化水平和作业效率,以应对电商行业日益增长的物流需求。 三、代表性企业:市场竞争日益激烈 在中国移动机器人(AGV/AMR)行业中,海康机器人、极智嘉、新松等头部企业之间展开了激烈的市占率争夺战,各自凭借自身的优势在市场中占据一席之地。 海康机器人依托海康威视强大的 AI 视觉技术,推出了一系列具有竞争力的产品,如潜伏式 AGV、F9-300 窄通道机器人等。2024 年,其在国内市场的份额达到 30%,无人叉车销量突破万台大关,全球 AMR 出货量超过 3.5 万台。海康机器人凭借其在技术、产品和市场渠道等方面的优势,不断拓展在制造业、电商物流等领域的市场份额,巩固其在行业内的领先地位。 极智嘉则以Roboshuttle货箱机器人、智能分拣系统等核心产品在市场中脱颖而出。2024 年,其全球市场份额达到 25%,海外收入占比超过 40%,在柔性调度算法方面处于行业领先地位。极智嘉通过不断优化产品性能和服务质量,积极拓展海外市场,与全球众多知名企业建立了合作关系,进一步提升了其在移动机器人领域的品牌知名度和市场影响力。 新松在汽车、重工领域具有深厚的技术积累和丰富的行业经验,市场份额达到 10%。新松凭借其强大的研发实力和定制化解决方案能力,为特定行业客户提供量身定制的移动机器人产品和解决方案,满足不同客户的个性化需求,在汽车制造、重工等传统优势领域持续保持较强的市场竞争力。 从亿元级企业数量来看,2024 年度中国市场 AGV/AMR 企业销售额过亿元的企业约有 42 家,近两年过亿企业数量趋于稳定,表明行业集中度较高。近三年前五企业销售规模在整体市场占比均超过 40%,头部企业的市场集中度优势明显,对行业的走向和发展具有重要的引领作用。 四、无人叉车:市场增长与技术突破 (一)技术突破与应用深化 在技术方面,无人叉车的导航技术取得了显著突破。激光导航在无人叉车中的占比从过去的较低水平迅速提升至 70%。早期的导航技术如磁条 / 二维码导航存在灵活性差等问题,而激光导航技术利用激光雷达扫描周围环境,能够实时创建地图并确定自身位置,具有高精度、高灵活性和强环境适应性等优点,为无人叉车的广泛应用提供了坚实的技术保障。 近年来,多传感器融合技术的发展进一步推动了激光导航的升级。通过结合视觉、激光雷达和 IMU 等多种传感器的数据,无人叉车能够实现更精准的定位和环境感知,在复杂环境中也能做出准确的决策,有效提升了无人叉车的智能化水平和作业能力,使其能够应对更加复杂的物流场景和任务需求。 Flash 纯固态激光雷达在无人叉车的应用中具有显著优势。其超小体积和超轻重量使得无人叉车的设计更加紧凑,能够更好地适应狭窄通道和有限空间。超高线束则为无人叉车提供了更精确的环境感知能力,使其在复杂场景下能够实现更精准的导航和操作,从而提高搬运效率和安全性,进一步拓展了无人叉车的应用范围和市场空间。 在新能源行业,无人叉车的应用场景不断深化。新能源行业对生产环境的安全性和稳定性要求较高,无人叉车能够满足这些要求。例如,在仓库货物的搬运过程中,无人叉车可以实现自动化操作,减少人工干预,降低安全风险,提高生产效率和物流管理水平。以海豚之星 AM1516 窄通道和 AS1530 堆垛 AGV 为例,它们在新能源行业有着出色的表现。这些叉车采用了先进的激光导航技术,能够在狭窄的通道中灵活运行。同时,它们还具备全流程监控与优化功能,通过智能算法优化库位货物摆放,提升空间利用率。在某新能源项目中,AS1530 实现了跨楼层、跨区域的高效搬运,减少了人工操作,提高了仓储运营效率,得到了客户的高度认可。 (二)市场爆发式增长 无人叉车市场在近年来呈现出爆发式增长态势。2024 年,无人叉车销量达到 2.45 万台,占整体移动机器人市场的 15%,同比增长 46.62%。这一增长背后蕴含着多方面的逻辑因素。 从政策层面来看,国家对智能制造、工业自动化的支持力度不断加大,出台了一系列鼓励企业进行智能化升级改造的政策措施。这些政策为无人叉车的应用提供了良好的政策环境,引导企业加大对无人叉车等智能物流设备的投入和应用,推动了无人叉车市场的快速发展。 在成本方面,随着人力成本的不断上升,企业面临着巨大的成本压力。无人叉车的一次性投入虽然相对较高,但其长期运营成本相对较低,能够有效降低企业的人力成本。同时,无人叉车的使用还能减少因人为操作失误带来的损失,进一步降低企业的运营成本,提高经济效益。因此,越来越多的企业开始选择无人叉车作为传统叉车的替代品,以实现成本控制和效益提升。 在效率方面,无人叉车具有更高的工作效率和准确性。它可以实现 24 小时不间断工作,大大提高了物流搬运的效率。而且,无人叉车能够精准地完成货物的搬运和存储任务,减少了货物损坏和丢失的风险,提高了物流作业的质量和可靠性,为企业带来更高的运营效率和更好的客户满意度。 从全球市场竞争格局来看,中国企业在无人叉车领域已经取得了一定的优势。2024 年全球推出的 52 款无人叉车新品中,中国企业占比达到 39%。随着技术的不断进步和市场的不断拓展,中国无人叉车企业有望在全球市场占据更大的份额,进一步提升中国在移动机器人领域的国际竞争力。 五、未来十年:机遇与挑战并存 (一)全球市场格局重构 未来十年,中国企业在东南亚、欧洲等海外市场的本土化服务能力建设将成为关键。随着市场竞争的加剧,客户对本地化服务的需求日益增长。中国企业需要深入了解当地市场需求、文化和法规,建立本地化的销售、售后和技术支持团队,提供更贴近客户的服务。 在东南亚市场,中国企业可以针对当地劳动力成本低、物流需求大的特点,推出性价比高的移动机器人产品,并提供定制化的解决方案。通过与当地企业合作,建立生产基地和销售网络,能够更好地满足东南亚市场的需求,提高市场份额。同时,还可以借鉴当地的运营模式和管理经验,降低成本,提升企业的竞争力。 在欧洲市场,注重环保和智能化的特点要求中国企业加强技术创新,提高产品的环保性能和智能化水平。例如,研发和应用更节能的电池技术、优化机器人的运动控制算法以降低能耗等,使产品符合欧洲市场对环保的严格要求。此外,积极参与当地的行业标准制定和认证,加强与欧洲科研机构和企业的合作,共同开展技术研发和创新,提升中国企业在欧洲市场的影响力和话语权。 此外,中国企业应积极拓展海外合作伙伴关系,与当地的产业链上下游企业建立紧密的合作,共同推动移动机器人行业的发展。通过与海外企业的合作,中国企业可以更好地了解当地市场的需求和趋势,引进先进的技术和管理经验,提升自身的竞争力。同时,还可以与海外合作伙伴共同开拓全球市场,实现互利共赢。 核心零部件国产化突破也是中国企业提升竞争力的重要途径。以往,激光雷达、芯片等核心零部件均需要依赖进口,近年来,伴随国产技术创新的发展,激光雷达和大算力芯片均开启了国产化进程。尤其是激光雷达产品,禾赛、速腾、华为已经稳居全球销量前三,而亮道智能的高线束纯固态 Flash 激光雷达、思岚科技的单线束激光雷达等,这些为工业界定制开发的激光雷达产品也在稳定出货。未来,中国企业应加大研发投入,突破核心技术,实现核心零部件的国产化,降低成本,提高产品的稳定性和可靠性,从而在全球市场竞争中占据更加有利的地位。 (二)技术融合创新方向 未来十年,移动机器人行业将迎来具身智能与 AI 大模型的深度融合。具身智能赋予机器人感知和理解环境的能力,使其能够在复杂场景中灵活行动;而 AI 大模型则为机器人提供强大的决策和学习能力,实现更高效的任务执行。例如,DeepSeek大模型的应用将推动机器人自主决策能力的提升,响应速度可达毫秒级,使其能够快速应对各种突发情况,如在物流仓库中面对货物堆放不规则、通道拥堵等问题时,能够迅速做出最优决策,调整行动路径,确保物流效率不受影响。 这种融合将使移动机器人从单纯的执行工具转变为具有智能思维的合作伙伴。它们可以根据环境变化自主调整行动策略,与人类进行更自然的交互,进一步拓展应用场景。例如,在未来的智能工厂中,移动机器人可以与工人协同工作,根据生产任务的变化和工人的操作习惯,自动调整工作方式和节奏,提高生产效率和质量;在医疗领域,移动机器人可以与医护人员密切配合,完成药品配送、样本运输、患者护理辅助等任务,提升医疗服务水平和效率。 同时,Flash 纯固态激光雷达技术也将不断创新和优化。其在移动机器人中的应用将更加广泛,进一步提升机器人的导航精度、环境感知能力和智能化水平。随着技术的成熟和成本的降低,Flash 纯固态激光雷达有望成为移动机器人的标配,推动行业的快速发展,使移动机器人能够更加精准地感知周围环境,实现更复杂的任务和功能,如在动态变化的环境中进行实时避障、多机器人协同作业等,为移动机器人行业带来新的发展机遇。 六、成就、挑战与应对策略 (一)可持续发展战略建议 为了实现移动机器人行业的可持续发展,提出以下战略建议: 1. 专利布局 :企业应加强技术研发,积极申请专利,构建专利壁垒,保护自身技术创新成果,提升市场竞争力。通过建立完善的专利体系,企业可以在技术研发和市场竞争中占据主动地位,防止技术被侵权和模仿,同时也可以通过专利许可和转让等方式获得额外的经济收益。 2. 生态链整合 :加强产业链上下游合作,整合资源,实现优势互补,共同推动行业发展。例如,与核心零部件供应商紧密合作,确保供应链稳定,避免因零部件供应短缺或质量问题影响生产;与系统集成商、软件开发商等合作,提供更完善的解决方案,满足客户多元化的需求;与科研机构和高校合作,开展产学研联合项目,加速技术成果转化和人才培养,为行业的技术创新和可持续发展提供有力支持。 3. 人才储备 :加大对专业人才的培养和引进力度,建立完善的人才培养体系,为行业发展提供智力支持。移动机器人行业涉及机械工程、电子工程、计算机科学、自动化控制、人工智能等多个学科领域,需要大量具备跨学科知识和技能的复合型人才。企业应通过内部培训、外部招聘、校企合作等方式,吸引和培养一批高素质的专业人才队伍,为企业的技术研发、产品创新和市场拓展提供坚实的智力保障。 4. 标准化体系建设 :参与和推动行业标准的制定,规范市场秩序,提高行业整体水平,促进行业可持续发展。通过制定统一的技术标准和规范,可以促进不同企业产品之间的兼容性和互操作性,提高市场的透明度和公平性,降低用户的使用成本和风险,增强用户对移动机器人的信任和接受度,从而推动整个行业的健康发展。 5. 技术迭代 :持续关注和投入多传感器融合导航、激光雷达高精定位、深度强化学习算法、人工智能等前沿技术的研发和应用,进一步提升无人叉车、复合机器人等移动机器人的精度和效率,以适应不断变化的市场需求和竞争环境。通过技术创新和产品升级,企业可以在激烈的市场竞争中保持领先地位,不断拓展市场份额和应用领域,实现可持续发展的目标。 (二)阶段性发展成果凝练 在过去的发展历程中,中国移动机器人行业取得了显著的阶段性成果。 在技术自主化方面,近十年行业实现了从依赖国外技术到自主研发创新的转变。导航技术从磁条 / 二维码主导发展到激光 SLAM 普及,再到多传感器融合成主流,核心技术不断突破,部分企业在全球处于领先地位。例如,国内一些企业在激光 SLAM 导航算法、多传感器融合技术等方面的创新成果,不仅提升了自身的竞争力,还为全球移动机器人技术的发展做出了贡献,推动了行业的技术进步。 在市场国际化方面,头部企业积极拓展海外市场,如极智嘉海外收入占比超 40%,海豚之星 2024 年海外市场占比提升至 35%,中国企业在全球市场的影响力逐渐增强。通过海外市场的拓展,中国企业不仅扩大了业务范围和市场份额,还与国际知名企业建立了合作关系,学习和借鉴国际先进的管理经验和技术理念,进一步提升了自身的发展水平。 在应用多元化方面,移动机器人的应用从传统的物流、制造领域拓展到新能源、医疗、教育等多个领域,应用场景不断丰富。这充分体现了移动机器人的灵活性和广泛适用性,能够为不同行业的客户提供定制化的解决方案,满足多样化的市场需求,推动了各行业的智能化升级和创新发展。 然而,行业也存在同质化竞争隐忧。部分企业产品和技术趋同,可能导致价格战等不良竞争,影响行业健康发展。在追求市场扩张和份额增长的过程中,一些企业可能忽视了产品创新和质量提升,仅仅通过降低价格来吸引客户,这不仅会压缩企业的利润空间,还可能损害整个行业的形象和声誉,阻碍行业的可持续发展。 (三)市场规模预测 预计到 2029 年,中国无人叉车市场规模将超过 140 亿元,复合增长率保持在 28% 以上,销售总台量将达到 105000 台,海外市场将达到 73500 台,海外市场年均增长率将保持在 70% 左右;中国 AGV/AMR 总量在 2029 年将达到 280000 台,海外市场销量占到 115000 台,海外市场年均增长率保持在 40% 左右。可以预见,海外市场将是中国 AGV 和无人叉车蓬勃增长的动力引擎和主要战场,为中国 AGV 行业提供巨大的发展空间和增长动力,这也符合当下中国 AGV 企业全力出海的战略布局,有望在未来全球移动机器人市场中书写更加辉煌的篇章。 微信号| Robo Lab 重构机器「看见世界」的方式。 用硬核科普+实战案例,拆解光束背后的科技革命。 欢迎关注“Robo Lab 机器人实验室”
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    2015-4-13 16:56
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    数字信号微处理器DSP具有高速运行与数据处理的功能,以其高性能和低功耗的优势为实时导航系统的数学计算提供了有效的硬件平台。在现代武器装备中,设计了基于DSP芯片的车载导航系统,其在民用和军事领域均发挥着重要作用,系统具有高可靠性、安全性等特点。 1 车载导航系统工作原理 车载导航系统的主要功能是定时采集陀螺正交编码信号、加速度计的输入和里程计输入信号,并对采集的数据进行必要的处理,以实现导航解算。同时将采集数据通过RS422总线和CAN总线发送至地面监测设备;并通过RS422总线接收相关的命令及参数。该系统结构如图1所示。 图1 车载导航系统结构框图 2 系统硬件设计 2.1 处理器及存储器设计 车载导航系统电路采用TI公司的TMS320C6713B-A200作为DSP,该DSP芯片标称主频为200 MHz,工作在160 MHz主频时DSP处理能力为1600 MI·s-1/1 200MFLOPS。使用40 MHz的晶振作为DSP的时钟输入,经内部锁相环倍频后作为DSP工作的时钟,使用一片TPS70345电压调整器为其提供3.3 V的IO电压和1.2 V的内核电压;采用一片容量为16 MB的MT48LC4M3282TG-7IT芯片作为SDRAM的存储器,存储器直接接入DSP的EMIF总线上,SDRAM芯片的地址线BA1、BA0和A11~A0接DSP芯片的EA15~EA2,数据线D31~D0接ED31~ED0。FlashRom芯片的地址线A22~A0接DSP芯片的GP13~CP11和EA21~EA2,数据线DQ15~DQ0,接ED15~ED0,初始化时GP13~GP13个引脚的状态为高,SDRAM芯片的片选信号接DSP芯片的CE0;采用一片容量为16 MB的S29GL128N10TFIR1芯片为FlashRom存储器,FlashRom芯片的片选信号接DSP芯片的CE1。之所以DSP芯片的CE1接到FlashRom的片选上,是因其引导方式采用从ROM加载,BOOT程序存放在FlashRom存储器中。存储器的读写信号均接到DSP芯片的AWE信号上。DSP通过EMIF总线接口访问外部存储器,可通过操作寄存器控制对外部存储器的访问,简化了电路的设计。 2.2 电源设计 车载导航系统输入电源为27±9 V,经MHF+28515将24 V转换为+15 V和+5 V的电压,MHF+28515的输入电压范围为16~48 V,输出功率15 W,其中+5 V电压输出最大功率为7.5 W,电流1 500 mA,+15 V电压输出功率最大分别为5 W,电路330 mA。由于车载导航系统电路自身+5 V电源使用的电流约为1000 mA,所以能提供+5 V,电流140 mA的输出给外部使用,为满足系统中各部件的供电要求,设计了车载导航系统供电系统。 MHF+28515输出的+5 V电源为整个模块提供数字电源,其中CAN总线协议芯片等部分+5 V工作的芯片直接使用该电源;其他电路使用经转换后的电源其处理方法包括:通过电压调整器TPS70345将+5 V电源转换成3.3 V和1.2 V电源,其中3.3 V供DSP外围电路及SDRAM、Flash等芯片使用,1.2 V供DSP内核使用;通过电压调整器TPS70351将+5 V电源转换成3.3 V和1.8 V电压,其中3.3 V供FPGA外围电路、光耦等芯片使用,1.8 V供FPGA内核使用;通过两个DC/DC模块NKE0503将+5 V电源转换成3.3 V电压,一个供RS422隔离电路中的MAX3490及光耦使用,另一个供RS232隔离电路中的MAX3232及光耦使用。通过一个DC/DC模块NME0505将+5 V电源进行隔离,供MAX481、CAN总线收发器和其通路上的光耦使用。MHF+28515输出的±15 V电源为整个模块提供模拟电源,其中+15 V电压通过三端稳压器JW78M05将电压转换成+5 V模拟电压,供LM3940IMP和REF196使用;+5 V模拟电压通过LM3940IMP转换成3.3 V模拟电压,为运放供电;+5 V模拟电压通过REF196转换成3.3 V模拟电压,为电桥供电;+15 V和-15 V电压则是为运放OP497供电。 2.3 输入信号 车载导航系统电路输入信号有3路加速度计信号、3路陀螺信号、两路里程计信号、两路标频信号、一路行车状态信号、9路状态检测信号和10路测温信号。 加速度计信号的信号形式为可逆脉冲,幅值TTL,满量程为256 kHz,经3路16位计数器计数,上升沿触发,中断5锁存,加速度计信号采用RC滤波和带施密特触发输入的反向器进行整形处理,然后通过74LVC244进行电平转换后引入FPGA中。 陀螺信号的信号形式为正交编码信号,幅值高电平4~5 V,低电平0~0.8 V,电流≤8 mA,频率≤1.5 MHz,相位差90°±20°,经3路16位计数器计数,上升沿触发,中断5锁存,陀螺信号也与加速度计信号相同,进行整形处理。而标频信号频率为128 kHz,幅值TTL,也信号需整形。因此,标频信号的处理形式和加速度计信号处理方法相同。 里程计信号包括两路里程计信号、1路行车状态信号和1路里程计地,幅值12 V,驱动能力30 mA,需光耦隔离,设置两个16位计数器和1位状态寄存器,分别记录里程计脉冲输入和状态信息,里程计脉冲上升沿触发计数,中断5锁存;要求行车状态信号State可用命令使能和禁止,使能状态下当State=1时,里程计信号加法计数;当State=0时,减法计数;禁止状态下里程计信号加法计数,里程计信号先经RC滤波电路和保护二极管,然后经光隔进入FPGA。 状态检测信号包括3路跳模检测信号、3路高压状态信号和3路机抖状态信号,信号形式均为开关量,幅值为TTL,机抖状态信号和高压状态信号需光耦隔离。跳模检测信号处理形式和参数选择与加速度计信号相同;高压状态信号和机抖检测信号处理形式则与陀螺信号一致。 测温信号包括10路测温电阻输入和1路测温电阻输入公共端,温度范围在-45~+70℃,测温电阻与模块上3个高精度电阻组成电桥,按照电桥工作原理,桥臂电阻的阻值应小于测温电阻的最小值,并应当考虑一定的冗余,温度系数的计算公式为R0×3.85×10-3,其中R0是0℃电阻,由于采用了高精度电阻和12位的AD,A/D转换精度0.5 ℃,可用多路开关实现。电桥两臂中点分别接入运算放大器进行跟随处理,再经后级放大后由A/D转换芯片采集温度测试结果,A/D转换芯片采用串行接口芯片,与DSP的McBSP1接口连接,该芯片分辨率为12位,并具有10 μs的转换时间及最大11路的A/D输入。 在车载导航系统电路设计中采用了CAN总线设计。CAN总线独立控制器采用SJA1000T,使用16 MHz晶振作为时钟输入,可通过软件配置ID号和数据传输波特率,最大速率为1 Mbit·s-1。其总线控制器使用数据地址复用总线,经FPGA转换后与DSPEMIF总线连接。CAN总线控制器信号采用TTL电平(5 V),与信号为3.3 V电平的FPGA之间需使用SN74LVC4245作电平转换。CAN总线接收器采用Philips Semiconductors公司PCA82C250。其总线控制器与收发器之间的数据传输信号采用光耦进行隔离。CAN总线接口电路如图2所示。 图2 CAN总线接口电路 2.4 FPGA设计 车载导航系统电路采用FPGA处理模块上控制逻辑、各输入信号的计数及实现串行接口通讯协议。FPGA对输入信号进行计数,并对标频信号分频产生中断5信号,产生中断5信号的同时对各计数器值进行锁存。DSP可通过EMIF总线访问FPGA的内部资源,地址空间占用EMIF总线的CE2。FPGA的加载模式为主控串行模式(Master Serial Mode),FPGA功能框图如图3所示。FPGA设计包括加速度计信号计数器设计、陀螺信号计数器设计、里程计信号计数器设计、陀螺合频计数器设计、标频分频器设计、状态检测、故障检测信号和串行通讯接口设计。 图3 FPGA功能框图 加速度计信号输入为可逆脉冲,每个通道加速度计输入包括3路信号,分别是+A、-A和GND,按照设计要求,+A信号上有脉冲时计数值增加,-A信号上有脉冲时计数值减少,当频标分频中断产生时,将计数结果存入锁存器内。在FPGA中设计了16位的计数器,上电复位计数器为0,+A信号上有脉冲时计数值加1,-A信号上有脉冲时计数值减1,当频标分频中断产生时,将计数结果存入锁存器内,DSP可通过EMIF访问锁存器得到加速度计信号计数器的结果。 陀螺信号输入形式为正交编码信号,每个通道陀螺信号输入包括3路信号,分别是A、B和DGND,当A相超前B相90°时计数值增加,当A相落后B相90°时计数值减少。在设计时输入信号先经过鉴相电路,识别A路和B路信号的相位先后,并产生两路4倍频的可逆脉冲信号,然后对可逆脉冲进行计数,当标频信号中断产生时,将计数结果存入锁存器内。 里程计信号包括两路计数输入和一路行车状态信号输入,计数输入每路使用一个16 bit计数器,当中断产生时将计数器数值存入锁存器;行车状态信号(STATE)上电初始为无效状态,用户通过命令设置STATE状态是否有效。其STATE信号处于有效状态时,STATE为1,里程计计数器递增计数;若STATE为0时,里程计计数器递减计数;而当STATE信号处于无效状态时,里程计计数器递增计数。 在FPGA中设计了16位计数器,上电复位计数器为0,计数器的值均增加,而计数器均加1,当频标分频中断产生时,将计数结果存入锁存器内。DSP可通过EMIF访问锁存器得到陀螺合频计数器的结果。 标频分频器用来将标频信号分频,产生锁存FPGA内加速度计数器、陀螺计数器、里程计计数器的计数值以及状态检测信号的状态中断信号。在FPGA中标频分频器由一个预定标器和一个计数器组成,可由软件编程设置分频,DSP通过EMIF总线向预定标器写入需分频的数值,计数器记录频标脉冲的个数,计数至定标值时计数器输出并清零,而计数器输出至DSP的中断,同时锁存FPGA内加速度计数器、陀螺计数器、里程计计数器的计数值以及状态检测信号的状态。 状态检测信号为开关量信号,状态存放在一个地址中,每一位代表一路的状态。在FPGA中设计一个16位的寄存器,存放行车状态、高压检测信号状态、机抖检测信号状态及跳模检测信号状态,并在中断时将信号锁存到锁存器中。 故障检测信号是通过一个地址写入故障检测向量,根据故障检测向量每一位具体是0或1,由可编程逻辑器件将故障检测向量自动设置输出引脚。在FPGA中设置一个8位的存储器,用于存放故障检测向量,信号经驱动后输出。 FPGA内部设计了串行协议模块,经外接电路组成RS232和RS422串行接口。集成协议芯片参照ST16C2552进行设计,对其MODEM控制等功能进行了裁减。而串行接口工作波特率也均可设置。 3 结束语 文中介绍了基于DSP的车载导航系统,给出了硬件电路设计。其具有结构简单、可靠性高、维护方便,能提高系统整体性能和性价比,且有较好的继承性等特点。实践证明该硬件电路可靠,为车载导航领域的硬件设计提供了参考。
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