超聲波ToF的地面類型、高低坡以及障礙物檢測

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))任何種類的機(jī)器人對傳感器需求都是巨大的，各類不同的傳感器組合構(gòu)成機(jī)器人的五官，為其提供智能化感知。檢測位置的運(yùn)動傳感器、檢測物料的氣壓傳感器、檢測障礙物的超聲波TOF傳感器、檢測室內(nèi)環(huán)境的氣體傳感器和溫度傳感器、檢測電池電流的電流傳感器、檢測角度和位置的霍爾傳感器和磁阻傳感器等等。從感知外部到感知內(nèi)部，這些傳感器將機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)完全覆蓋起來。

(機(jī)器人配置示意圖，TDK)

超聲波ToF的地面類型、高低坡以及障礙物檢測

機(jī)器人傳感上，可以用于障礙物檢測、高低坡檢測、地面檢測的方法有很多。此前我們也講過很多應(yīng)用在這個(gè)方向上的傳感方法，但今天我們在地面類型、高低坡以及障礙物檢測上看一看超聲波ToF。

眾所周知，基于超聲波的傳感用在機(jī)器人應(yīng)用上最受歡迎的就是其在任何照明條件下都可工作，包括全日光條件，尤其是在感知中能夠進(jìn)行不受受測物體顏色和光學(xué)透明度影響的距離測量，精確最高可到毫米級，這一特性是很多傳感無法做到的。

超聲波ToF傳感器利用超聲波換能器芯片發(fā)射超聲波脈沖，然后收聽從位于傳感器視場中的目標(biāo)返回的回波。通過計(jì)算超聲波飛行時(shí)間(ToF)，傳感器可以確定某一物體相對于器件的位置。這里，超聲波換能器芯片是重中之重。MEMS工藝下的換能器芯片已經(jīng)往微型和低功耗在靠攏。如果只是單一的超聲波信號處理，顯然是不足以同時(shí)完成地面類型、高低坡以及障礙物的檢測。為了實(shí)現(xiàn)對多種超聲波信號處理的能力，單單MEMS超聲波換能器是不夠的，需要在混合信號CMOS ASIC上結(jié)合MEMS超聲波換能器和DSP，以對多種不同檢測應(yīng)用上的信號進(jìn)行處理。

這一類超聲波ToF傳感需要實(shí)現(xiàn)很寬的FoV，感應(yīng)距離相對來說不是那么關(guān)鍵，超聲波的探測距離本來就不是其特長，能夠?qū)崿F(xiàn)幾米左右的探測即可。FoV則一定要夠?qū)?，允許同時(shí)對FoV中的多個(gè)物體進(jìn)行覆蓋。在地面類型的檢測上使用超聲波ToF可以通過反射超聲波信號的平均振幅來確定目標(biāo)表面是“硬的”還是“軟的”，在掃地機(jī)器人上這種應(yīng)用頗多;障礙物存在檢測這一類標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用無需贅述，任何一個(gè)傳感器都能進(jìn)行;高低坡的檢測則通常會需要多個(gè)超聲波ToF進(jìn)行配合。

高精度IMU的校準(zhǔn)補(bǔ)償

IMU也是服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動傳感的必備，高性能6軸是選型里最先考慮的選擇。在實(shí)際使用過程中，雖然高性能的IMU在分辨率、采樣精確度、穩(wěn)定性、噪聲密度上已經(jīng)足夠優(yōu)秀，但對IMU的弱點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償是必不可少的。這些弱點(diǎn)主要存在于對IMU的校準(zhǔn)上。

首先是在機(jī)器人啟動后，對機(jī)器人IMU進(jìn)行的偏置校準(zhǔn)，目前一般都講究可編程的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動或手動偏置校正是最好的，從軟件層面消除初始誤差的產(chǎn)生。隨時(shí)間和溫度變化，IMU需要動態(tài)校準(zhǔn)隨時(shí)間變化的傳感器偏差漂移，并且時(shí)刻對溫度進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，這也是一個(gè)實(shí)時(shí)補(bǔ)足的地方。精準(zhǔn)的運(yùn)動傳感肯定建立在實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)上，每個(gè)傳感器都有自己的動態(tài)補(bǔ)償公式，大多數(shù)IMU芯片廠商會把所有必要的運(yùn)動檢測和校準(zhǔn)在生產(chǎn)過程中完成，減少再集成的時(shí)間成本。

在IMU實(shí)際使用中的數(shù)據(jù)融合處理上，完全看各廠商的校準(zhǔn)能力，對偏置漂移的校準(zhǔn)能力決定了機(jī)器人能否對運(yùn)動方向做出正確的跟蹤與預(yù)估。對其他任何可能需要的校準(zhǔn)，主機(jī)都必須能隨時(shí)提供機(jī)器人狀態(tài)作為輸入給校準(zhǔn)系統(tǒng)，同時(shí)處理該輸入數(shù)據(jù)的速率必須要快，能在極短的時(shí)間內(nèi)完成響應(yīng)，這對電機(jī)MCU或者說電機(jī)控制單元也是一個(gè)考驗(yàn)。

NTC取舍

NTC熱敏電阻芯片在檢測溫度上給予了機(jī)器人控制很大的支持，尤其是可接合的NTC芯片，在半導(dǎo)體器件用于給固定電池狀態(tài)和機(jī)器人產(chǎn)品的電機(jī)控制器充電。這些NTC一般直接安裝在模塊中，監(jiān)測半導(dǎo)體連接點(diǎn)的溫度。功率型熱敏電阻也會用來抑制浪涌。

NTC熱敏電阻由于性價(jià)比高在溫度傳感上使用十分廣泛，但它在極端溫度下提供精度較低。而且熱敏電阻是以熱量形式散發(fā)能耗的，這會影響其測量精度。散發(fā)的熱量取決于材料成分和流經(jīng)器件的電流。如果對器件的靈敏度和精度要求較高，具有較低自熱且傳感器漂移小的NTC會更好。

另外在安裝上，為了直接或間接地通過IGBT、電容器、機(jī)器人中的線圈等散熱來監(jiān)測溫度，擰入式或旋入式傳感器是更成熟的方法，能通過擰入式外殼或金屬標(biāo)簽形成更好的熱耦合。

寫在最后

機(jī)器人傳感太多，這里只選取了幾個(gè)方向。機(jī)器人感知能力在很大程度上取決于傳感系統(tǒng)提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，結(jié)合ML和AI后，機(jī)器人感知也開始向更加智能的方向進(jìn)化。

原文標(biāo)題：服務(wù)機(jī)器人傳感：超聲波ToF、IMU、NTC

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審核編輯：湯梓紅