变形金刚和无人驾驶背后的机电一体化技术

2007-09-17 08:01:28来源: 电子工程专辑

在电影《变形金刚》中,来自塞伯顿星球的机器人闯入地球,寻找能量方块;而在现实世界,地球上的机器人也曾闯入火星,去寻找人类赖以生存的能源。在这两种机器人身上,融合电子学、机械学、计算机和控制工程的机电一体化技术扮演着重要角色,正是该技术孕育了能够行走而且具有自主智能的类人机器人。

人们曾一度认为,机电一体化的概念不过是“昙花一现”,但是现在,这个概念已经履行了当初的承诺:创建智能的自主式机电系统。目前,这样的系统已经被用于美国航空航天局(NSNA)的火星探测器用来在火星寻找生命迹象;现代汽车领域也已经利用该技术实现了“自动操作”车辆,操作范围从防抱死刹车、防滑控制、防碰撞,到最终的无人驾驶汽车。

“你可以叫我们‘汽车人’。”《变形金刚》中代表正义的“博派”机器人首领擎天柱说。事实上,对于汽车机电一体化的终极目标——无人驾驶汽车来说,汽车人也是一个非常合适的绰号。

“自动驾驶技术是主动式安全电子学(ASE)合乎逻辑的发展方向。在ASE中,通过传感器和算法来预测事故,并在车辆的物理和动力限制内主动避免事故。”Gartner Dataquest公司负责半导体、汽车和远程信息处理技术的研究副总裁Michael Williams表示,“在早期的无人驾驶客车应用方面,我们期望能率先出现一些给人们带来方便的应用,如能自动泊车、自动提车等。”

虽然当今最为超前的应用(如火星探测)很多都是通过机电一体化来实现的,但机电一体化最为多见的场合,却出现在我们的日常生活中。例如常见的洗衣机,会利用传感器测量负载,而不是询问用户负载有多大。

不过,机电一体化设计的巅峰之作恐怕要数工业机器人的机械手。当然,我们也确信车载机电一体化伺服系统终将实现汽车的自行驾驶。

“几家机器人公司已经在试图建造类似于变形金刚的模块,你可以从中挑选一些模块来创建自己的机械手。”美国田纳西大学教授William Hamel表示,“这个非常高明的工具箱方法距变形金刚只有一步之遥。”在8月于哈尔滨市召开的IEEE机电一体化与自动化国际会议上,Hamel就机械手中的机电一体化技术做了主题演讲。

起源与应用现状

机电一体化技术起源于日本。在日本,该技术为现实中的科技发展和科幻小说都带来了灵感,前者从使用机电一体化机械手中萌生了机器人产业,后者则为我们带来了《变形金刚》。对于现代机电一体化技术来说,《变形金刚》是份再适合不过的礼物,因为影片中有关节的机器手和自行驾驶的汽车,都折射出当今最为引人注目的应用。

“在机械手的设计和控制中,机电一体化技术的进步尤为重要,因为你是在与结构非常紧凑的有关节的机械装置打交道,这种装置对有效载荷的要求非常高。在电子学方面,需要在每个连接点上配置有源伺服电机。”Hamel指出。

有趣的是,生产汽车的机器人们,正在利用这些机电一体化机械手制造机电一体化汽车。航空领域已经从当初的辅助飞行(如自动高度调整系统),发展到今天在无人干预情况下能够起飞和着陆的自动驾驶仪,借鉴这些,我们可以预测到汽车中机电一体化系统的发展方向。其目标与飞机的自动驾驶仪类似,你可以对“OnStar”汽车安全和通讯系统说:“我有点犯困,你来开车好吗?”

Williams指出,“自主式车辆需要部署多个传感器和电子子系统,用来实现启动、驾驶、操纵、导航、刹车和停车等。在主流客车市场上,我们期望看到这种技术被作为安全特性而得到广泛使用,例如作为驾驶者助手以及为驾驶者提供一些功能支持,而不是完全替代司机的角色。

从纯机械到智能化

把“愚笨”的机械系统转变成智能的机电一体化系统,其关键之处,在于用闭环伺服系统代替传统的开环校准系统。这种智能的机电一体化伺服系统,实现了利用电子反馈提供控制信号。其支持者声称,靠连续的自我校准,新系统不仅比精密的机械部件更为精确,而且实现成本更低。

同过去的机械系统相比,使用计算机控制的系统只需要更少、更便宜的元件,就能达到比机械校准元件更为严格的性能指标。

机电一体化有个开创性的范例,那便是硬盘驱动器。在硬盘驱动器诞生之前,计算机的大容量存储是由计算机处理过的磁带驱动器实现的,这种驱动器只是实现了手工磁带驱动开环功能的自动化,所以并没有构成机电一体化的系统。

通过把闭环控制用于一种新型的机械设备上,硬盘驱动器提供的功能远远超过了其器件总和。而这种新型的机械设备必须加入电子线路才能实现,这正符合机电一体化定义。磁盘驱动器使用旋转的磁盘而不是磁带卷,通过随机访问盘上的任何扇区,从机械存储介质上获得了新的性能等级。

驱动器的机电一体化也对其它机械设备的自动化产生了长远影响。依靠电子、机械、材料等各学科工程师的共同努力,硬盘的尺寸从毂盖那么大,发展到了迷你小型,以至微小型。通过设计出速度更快的电子系统、尺寸更小的磁头定位装置,以及更密集的存储材料,我们现在可以买到数码相机所用的CF卡。而且,这种卡比纯粹的电子卡还要便宜。

汽车之外的应用

今天,在每个设计中实现机电一体化已成为全球化的浪潮。尽管如此,现代汽车依然是该技术最好的应用范例。率先实现自动化的子系统之一是以前完全机械化的汽化器,现在已经采用了计算机控制的燃料喷射器。

当冷的发动机启动时,自动燃料喷射器能实时调整燃料和空气的混和比。机电一体化不是仅向汽化器(类似于自动化的磁带驱动器)中增加机电化控制器,而且使用新设备(燃料喷射器)来更好地完成以前的功能。

今天,几乎每种机械设备都通过不同程度的机电一体化方式为自己增加现代元素,这些设备通常会在系统中嵌入微控制器来读取传感器信号,然后由预先编制的程序进行处理,并通过启动伺服系统(以前由机械时序信号驱动)进行响应。

在汽车应用中,最新的前沿技术是“线控驱动(drive by wire)”。该技术可实现自动操纵,让计算机来驾驶汽车。

“许多驾驶员甚至没有意识到汽车中已经内置了线控驱动技术。例如,由于需要混合协同驱动,几乎所有的混合动力汽车都使用了线控驱动技术。”Williams表示。

包括宝马、奔驰、奥迪、保时捷、蓝博基尼、法拉利、美洲虎、沃尔沃、斯巴鲁、凌志、大众和丰田在内,许多汽车OEM都已推出了线控驱动技术。

除了在性能上高于纯机械的元件和子系统之外,机电一体化还具有易用的重新编程能力,来实现纯机械系统所无法实现的功能和性能,例如自动并行泊车。机电一体化也创建了新的产品类别,包括开创性的磁盘驱动器、数字光处理器(DLP)、以及微机电系统。

关键字:逻辑  动力  机械  编程

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