TDK | 掃地機(jī)器人如何感知周邊環(huán)境？

前言

服務(wù)型機(jī)器人在社會(huì)中的作用越來(lái)越重要，廣泛見(jiàn)于諸如從運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)物流到家庭娛樂(lè)和安全應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。但無(wú)論是哪種應(yīng)用，機(jī)器人都需要實(shí)時(shí)感知周邊環(huán)境的變化，以確保安全，同時(shí)提供積極的用戶(hù)體驗(yàn)。

本期推文就以代表服務(wù)型機(jī)器人的掃地機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用方案。

早期版本的掃地機(jī)器人智能程度不高，存在諸多缺陷，例如無(wú)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(wú)法即時(shí)感知塵滿狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)效清掃的情況時(shí)有發(fā)生。近年來(lái)，隨著傳感器和電機(jī)控制器創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，掃地機(jī)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(diǎn)。

高精度移動(dòng)

不管掃地機(jī)器人如何變化，其基礎(chǔ)都是高精度移動(dòng)。對(duì)此，TDK提供能直接控制各種步進(jìn)電機(jī)、有刷 (BDC) 和無(wú)刷 (BLDC) 直流電機(jī)的智能HVC 4222F嵌入式電機(jī)控制器。它們能精確控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的電機(jī)，以確保掃地機(jī)器人的車(chē)輪始終朝正確的方向移動(dòng)。高精度控制對(duì)于確保掃地機(jī)不偏離預(yù)定路線至關(guān)重要，此類(lèi)機(jī)械要素的高精度控制與傳感器的搭載與否無(wú)關(guān)，精確知曉車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 (比如是90度而非88度) 對(duì)于確保掃地機(jī)器人在某個(gè)時(shí)段內(nèi)處于適當(dāng)?shù)奈恢弥陵P(guān)重要。

檢測(cè)地板類(lèi)型、斷橋斷面?zhèn)€障礙物

超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器 (例如CH101和CH201，可分別在最遠(yuǎn)1.2米和5米范圍內(nèi)精確測(cè)量目標(biāo)距離) 會(huì)發(fā)出超聲波脈沖，并在傳感器視場(chǎng) (FoV) 監(jiān)聽(tīng)物體反彈的回波。隨后，內(nèi)置處理單元會(huì)通過(guò)計(jì)算超聲波的飛行時(shí)間來(lái)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(jí)的測(cè)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(zhǎng)距離檢測(cè)的CH201可幫助掃地機(jī)器人在無(wú)論晝夜環(huán)境下都能夠精確探測(cè)到任何移動(dòng)和靜止的物體，以便其及時(shí)改變行走路線避免發(fā)生碰撞；另一款用于短距離檢測(cè)的CH101超聲波ToF傳感器則可幫助掃地機(jī)器人確定不同的地板類(lèi)型。因?yàn)楸砻孳浻渤潭炔煌奈矬w，其反射回的超聲波信號(hào)振幅也不同。當(dāng)掃地機(jī)器人從木地板區(qū)域移動(dòng)到鋪有地毯的區(qū)域時(shí)，傳感器可以發(fā)出指令讓電機(jī)加速，因?yàn)樵诘靥荷系囊苿?dòng)阻力更大，需要更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。此外，這些傳感器還能檢測(cè)到掃地機(jī)器人是否已移動(dòng)到樓梯邊緣，避免摔落。

圖1: 超聲波傳感基礎(chǔ)知識(shí)

規(guī)劃路線

許多掃地機(jī)器人的導(dǎo)航解決方案采用視覺(jué)同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建 (VSLAM) 或激光雷達(dá)技術(shù) (LiDAR) 技術(shù)來(lái)構(gòu)建房間的虛擬地圖，以提高移動(dòng)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(jī)器人就會(huì)忘記自己身在哪里。這時(shí)，它需要沿隨機(jī)方向移動(dòng)，通過(guò)追蹤墻壁來(lái)重新發(fā)現(xiàn)處于地圖中的哪個(gè)位置。使用慣性測(cè)量單元 (IMU)，比如TDK的ICM-42688-P，就能有效克服這個(gè)問(wèn)題。

這些六軸運(yùn)動(dòng)傳感器從線性和旋轉(zhuǎn)角度獲取掃地機(jī)器人的滾動(dòng)、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)，然后結(jié)合動(dòng)作和房間地圖，就能精確定位。即使被人提起來(lái)放在別的地方，它也能快速知曉所處真實(shí)空間中的位置。對(duì)于不使用VSLAM或激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的掃地機(jī)器人，可使用航位推算法來(lái)定位和導(dǎo)航。通過(guò)測(cè)量車(chē)輪旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合IMU的慣性測(cè)量值和ToF傳感器的物體檢測(cè)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(cè)

語(yǔ)音識(shí)別

如果想在掃地機(jī)器人上增加帶有語(yǔ)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(lèi)應(yīng)用的理想特性。但是，由于目前掃地機(jī)器人的電機(jī)和其旋轉(zhuǎn)刷的運(yùn)轉(zhuǎn)噪音有些大，麥克風(fēng)很難識(shí)別語(yǔ)音指令。如果噪音能夠被稍加抑制，我們就可以通過(guò)AI智能實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人的語(yǔ)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(duì)于此類(lèi)噪音的一種解決方案是可以在掃地機(jī)器人內(nèi)搭載高級(jí)電機(jī)控制器 (例如HVC 4420F)，當(dāng)麥克風(fēng)識(shí)別到語(yǔ)音指令時(shí)，此電機(jī)控制器可以立即減慢或者停止電機(jī)以降低噪音，這時(shí)，麥克風(fēng)就可以對(duì)語(yǔ)音指令實(shí)現(xiàn)更高精度的識(shí)別。

塵滿檢測(cè)和自動(dòng)充電

使用壓力傳感器監(jiān)測(cè)通過(guò)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(lèi)應(yīng)用。當(dāng)檢測(cè)到塵盒內(nèi)的氣壓下降時(shí)表明塵盒已滿，此時(shí)可觸發(fā)掃地機(jī)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(dòng)清掃塵盒功能，塵盒被清理后，掃地機(jī)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(dá)到SoC (State of Charge) 水平時(shí)，電池管理系統(tǒng)可發(fā)送指令讓掃地機(jī)器人停止工作并返回充電底座。充滿電后，掃地機(jī)器人也會(huì)回到其最后停止工作的位置繼續(xù)清掃。因此，理論上無(wú)論房間大小，掃地機(jī)器人都能連續(xù)運(yùn)行直至完成計(jì)劃的清掃工作。

圖3: 集塵箱滿檢測(cè)

自我檢測(cè)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(cè)電機(jī)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(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)度補(bǔ)償運(yùn)行并過(guò)熱。溫度傳感器能夠檢測(cè)機(jī)器運(yùn)行時(shí)的溫度狀況，當(dāng)發(fā)生過(guò)熱情況時(shí)，會(huì)觸發(fā)掃地機(jī)器人暫時(shí)停止工作而進(jìn)行散熱，還會(huì)運(yùn)行一些系統(tǒng)診斷程序以找出導(dǎo)致過(guò)熱問(wèn)題的根源。

編輯：黃飛