前言

服務(wù)型機器人在社會中的作用越來越重要，廣泛見于諸如從運輸和倉儲物流到家庭娛樂和安全應(yīng)用的各個領(lǐng)域。但無論是哪種應(yīng)用，機器人都需要實時感知周邊環(huán)境的變化，以確保安全，同時提供積極的用戶體驗。

本期推文就以代表服務(wù)型機器人的掃地機器人 (RVC) 為例，介紹TDK的SmartSensor系列傳感器和其豐富多彩的傳感器技術(shù)在服務(wù)型機器人領(lǐng)域的應(yīng)用方案。

早期版本的掃地機器人智能程度不高，存在諸多缺陷，例如無法正確規(guī)劃清掃路線而導(dǎo)致清掃范圍不全面，或者是清掃途中因剩余電力不足而停止在原地。而且其塵盒通常比傳統(tǒng)有線吸塵器要小，無法即時感知塵滿狀態(tài)，導(dǎo)致無效清掃的情況時有發(fā)生。近年來，隨著傳感器和電機控制器創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，掃地機器人的性能也得到了極大的提升，變得更加智能，具備了以下特點。

高精度移動

不管掃地機器人如何變化，其基礎(chǔ)都是高精度移動。對此，TDK提供能直接控制各種步進電機、有刷 (BDC) 和無刷 (BLDC) 直流電機的智能HVC 4222F嵌入式電機控制器。它們能精確控制驅(qū)動轉(zhuǎn)動齒輪的電機，以確保掃地機器人的車輪始終朝正確的方向移動。高精度控制對于確保掃地機不偏離預(yù)定路線至關(guān)重要，此類機械要素的高精度控制與傳感器的搭載與否無關(guān)，精確知曉車輪轉(zhuǎn)動的角度 (比如是90度而非88度) 對于確保掃地機器人在某個時段內(nèi)處于適當(dāng)?shù)奈恢弥陵P(guān)重要。

檢測地板類型、斷橋斷面?zhèn)€障礙物

超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器 (例如CH101和CH201，可分別在最遠1.2米和5米范圍內(nèi)精確測量目標(biāo)距離) 會發(fā)出超聲波脈沖，并在傳感器視場 (FoV) 監(jiān)聽物體反彈的回波。隨后，內(nèi)置處理單元會通過計算超聲波的飛行時間來確定目標(biāo)距離，并發(fā)送到外部控制單元。與光學(xué)距離傳感器不同，超聲波傳感器能在任何照明條件 (包括黑暗環(huán)境) 下工作，具有毫米級的測量精度，且不受目標(biāo)顏色的影響，即使是玻璃等透明物體也不例外。用于長距離檢測的CH201可幫助掃地機器人在無論晝夜環(huán)境下都能夠精確探測到任何移動和靜止的物體，以便其及時改變行走路線避免發(fā)生碰撞；另一款用于短距離檢測的CH101超聲波ToF傳感器則可幫助掃地機器人確定不同的地板類型。因為表面軟硬程度不同的物體，其反射回的超聲波信號振幅也不同。當(dāng)掃地機器人從木地板區(qū)域移動到鋪有地毯的區(qū)域時，傳感器可以發(fā)出指令讓電機加速，因為在地毯上的移動阻力更大，需要更強的驅(qū)動力。此外，這些傳感器還能檢測到掃地機器人是否已移動到樓梯邊緣，避免摔落。

圖1: 超聲波傳感基礎(chǔ)知識

規(guī)劃路線

許多掃地機器人的導(dǎo)航解決方案采用視覺同時定位與地圖創(chuàng)建 (VSLAM) 或激光雷達技術(shù) (LiDAR) 技術(shù)來構(gòu)建房間的虛擬地圖，以提高移動效率。但是，如果其因某種原因被提起并放在不同的地方，掃地機器人就會忘記自己身在哪里。這時，它需要沿隨機方向移動，通過追蹤墻壁來重新發(fā)現(xiàn)處于地圖中的哪個位置。使用慣性測量單元 (IMU)，比如TDK的ICM-42688-P，就能有效克服這個問題。

這些六軸運動傳感器從線性和旋轉(zhuǎn)角度獲取掃地機器人的滾動、俯仰和偏航運動，然后結(jié)合動作和房間地圖，就能精確定位。即使被人提起來放在別的地方，它也能快速知曉所處真實空間中的位置。對于不使用VSLAM或激光雷達測繪技術(shù)的掃地機器人，可使用航位推算法來定位和導(dǎo)航。通過測量車輪旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合IMU的慣性測量值和ToF傳感器的物體檢測相結(jié)合，它就能在房間內(nèi)自行定位。

圖2: 地面?高低差?障害物檢測

語音識別

如果想在掃地機器人上增加帶有語音輔助的AI功能，高性能麥克風(fēng)是必不可少的。TDK的ICS-43434多模數(shù)字麥克風(fēng)具有適合此類應(yīng)用的理想特性。但是，由于目前掃地機器人的電機和其旋轉(zhuǎn)刷的運轉(zhuǎn)噪音有些大，麥克風(fēng)很難識別語音指令。如果噪音能夠被稍加抑制，我們就可以通過AI智能實現(xiàn)對掃地機器人的語音控制，例如可以口頭指示想要清潔的區(qū)域，或命令它停止清掃工作。對于此類噪音的一種解決方案是可以在掃地機器人內(nèi)搭載高級電機控制器 (例如HVC 4420F)，當(dāng)麥克風(fēng)識別到語音指令時，此電機控制器可以立即減慢或者停止電機以降低噪音，這時，麥克風(fēng)就可以對語音指令實現(xiàn)更高精度的識別。

塵滿檢測和自動充電

使用壓力傳感器監(jiān)測通過塵盒的空氣流量，可以估算出塵盒內(nèi)的垃圾積存情況。TDK的氣壓傳感器ICP-10101適用于此類應(yīng)用。當(dāng)檢測到塵盒內(nèi)的氣壓下降時表明塵盒已滿，此時可觸發(fā)掃地機器人停止工作并返回充電座。找正品元器件，上唯樣商城，一些高端充電座具有自動清掃塵盒功能，塵盒被清理后，掃地機器人便可回到其最后停止工作的位置并繼續(xù)清掃。

另一方面，當(dāng)電池的剩余電量不足，達到SoC (State of Charge) 水平時，電池管理系統(tǒng)可發(fā)送指令讓掃地機器人停止工作并返回充電底座。充滿電后，掃地機器人也會回到其最后停止工作的位置繼續(xù)清掃。因此，理論上無論房間大小，掃地機器人都能連續(xù)運行直至完成計劃的清掃工作。

圖3: 集塵箱滿檢測

自我檢測功能

TDK的NTC熱敏電阻是一種溫度傳感器，可用于監(jiān)控MCU或MPU的工作溫度，此外還可用于監(jiān)測電機和電刷齒輪的溫度。一旦刷子被橡膠皮套或多余的毛發(fā)等卡住，就會導(dǎo)致電機過度補償運行并過熱。溫度傳感器能夠檢測機器運行時的溫度狀況，當(dāng)發(fā)生過熱情況時，會觸發(fā)掃地機器人暫時停止工作而進行散熱，還會運行一些系統(tǒng)診斷程序以找出導(dǎo)致過熱問題的根源。

編輯：黃飛