掃地機器人里各類傳感器的重要作用

服務(wù)機器人在社會生活中越來越常見，廣泛見諸于物流/運輸、安保、保潔、家政、愛好/娛樂，以及護理/協(xié)助等各種應(yīng)用場景。但無論是哪種應(yīng)用，都要在保持人機交互(HMI)通信順暢的同時，還要滿足對安全以及實時響應(yīng)等諸多要求。對于服務(wù)機器人來說，傳感器的作用至關(guān)重要。本文將以掃地機器人為例介紹各類傳感器的重要作用。

掃地機器人中用到的TDK產(chǎn)品

掃地機器人用到的傳感器種類繁多，比如檢測位置用的運動傳感器；語音識別用的麥克風；檢測塵盒是否已滿的氣壓傳感器；檢測障礙物用的超聲波ToF傳感器，檢測室內(nèi)環(huán)境用的氣體和溫度傳感器；管理電池電量用的電流傳感器，以及檢測角度和位置用的霍爾和TMR傳感器等。此外，還有專為驅(qū)動小型有刷、步進或無刷電機而設(shè)計的嵌入式電機控制器，能將一體式MCU用作終端應(yīng)用的內(nèi)置輔助微控制器。針對特定應(yīng)用需求，TDK還可提供其他傳感器解決方案。

圖1：框圖 - 掃地機器人

檢測地板類型、陡峭斷面和障礙物

我們通過地板類型、陡峭斷面和障礙物檢測應(yīng)用介紹TDK的CH101和CH201超聲波飛行時間距離傳感器的功能。

CH101和CH201均為小型超低功耗的超聲波飛行時間 (ToF) 距離傳感器，分別可精確測量最遠1.2m和5m的距離。傳感器借助超聲波脈沖回波測量距離，能在任何照明條件（包括陽光照射）下工作，具有毫米級的測量精度，且不受目標顏色和透明度的影響。傳感器具有寬視場 (FoV) 的特點，能同時測量與視場中多個物體的距離。

對于地板類型檢測應(yīng)用，可使用CH101模塊的信號測量來實現(xiàn)。此應(yīng)用是通過測量反射的超聲波信號的平均幅度來判斷目標表面是“硬”還是“軟”。

存在性檢測應(yīng)用則通過運動檢測來確定是否有人或物體存在。這兩種傳感器都可實現(xiàn)此應(yīng)用。

對于陡峭斷面檢測應(yīng)用，則使用CH101模塊來實現(xiàn)，模塊中可配置和運行一個或多個CH101傳感器。

上述應(yīng)用廣泛見諸于各種機器人產(chǎn)品，比如無人機、吸塵器、自主移動機器人 (AMR)、類人機器人或協(xié)作機器人。

圖2：檢測地板類型、陡峭斷面和障礙物

超聲波感應(yīng)基礎(chǔ)

地板類型檢測	障礙物檢測	跌落/陡峭斷面檢測

RoboVac（軟件解決方案）

RoboVac軟件專為掃地機器人應(yīng)用中的高級6軸運動傳感器ICM-42688-P而開發(fā)，是一款支持軟件，可充分發(fā)揮ICM-42688-P的性能，同時彌補MEMS運動傳感器的已知缺點。
TDK的RoboVac軟件實現(xiàn)的主要功能包括：

? 充分利用ICM-42688-P的高分辨率（20比特）、精確采樣 (RTC) 和穩(wěn)定性 (VLN) 等特點，同時融合6軸數(shù)據(jù)，為機器人路徑規(guī)劃提供精準導航；
? 在機器人啟動后和準備就緒之前校準傳感器偏差；
? 預測因時間和溫度導致的綜合降額，并指示主機停止以進行動態(tài)校準；
? 動態(tài)校準因時間和溫度引起的傳感器漂移。

圖3：ICM-42688-P

ICM-42688-P （完美適用于機器人運動跟蹤應(yīng)用的高性能6軸IMU）

? 6 軸MEMS運動傳感器；

? 行業(yè)領(lǐng)先的性能，具有噪聲小、靈敏度高、時間和溫度漂移低等特點；

? 具有可提高應(yīng)用性能的獨特功能，與RTC、20位ADC、高達32kHz的ODR同步采樣；

? 低功耗
低噪聲模式下的加速度計+陀螺儀：880μA
低功耗模式下的加速度計：?50μA

? 小型封裝
2.5 x 3.0 x 0.91 mm (LGA-14)

圖4：傳感器融合和應(yīng)用時校準軟件對機器人航向跟蹤的重要性

常規(guī)6軸傳感器融合和校準

VS

TDK的RoboVac（軟件解決方案）

?同類最佳的融合性能；

?可在應(yīng)用時智能校準；

?提供集成和微調(diào)技術(shù)支持。

圖5：RoboVac的算法說明

?IMU加速度計、陀螺儀和溫度測量數(shù)據(jù)（來自ICM-42688-P）會發(fā)送到RoboVac

?RoboVac的算法：
評估主機應(yīng)用程序的四元數(shù)以控制機器人運動
校準傳感器誤差（漂移）以保持精準導航
視需要命令機器人停止以重新校準
處理數(shù)據(jù)速率：1000Hz、200Hz和100Hz

?主機將機器人狀態(tài)作為輸入發(fā)送到RoboVac以進行潛在校準

?規(guī)格：≤ 10°/小時

?執(zhí)行概述
初始校準只運行一次
每5~10分鐘暫停一次
校準持續(xù)時間為1~2秒
校準期間會抑制運動

“塵盒已滿”檢測

使用ICP-10101壓力傳感器監(jiān)測塵盒中的氣壓氣流，以此判斷其中的灰塵水平。隨著吸塵量的增加和過濾器被堵塞，氣流會出現(xiàn)停滯，導致塵盒中的氣壓低于空置時的氣壓。為了消除暖通空調(diào)等局部環(huán)境因素的影響，以便更準確地檢測塵盒內(nèi)氣壓，我們建議測量差壓，即同時用類似的壓力傳感器測量外部空氣壓力。

圖 6：塵盒已滿檢測

?使用壓力傳感器監(jiān)測通過塵盒的氣流；

?確定塵盒已滿或過濾器被堵塞；

?可選擇使用第二個壓力傳感器來消除暖通空調(diào)等局部環(huán)境影響，從而改進解決方案。

圖7：評估結(jié)果ICP-10101

嵌入式電機控制器

TDK的HVC flex伺服驅(qū)動器系列可用于經(jīng)濟高效地控制高性能緊湊型電機。其中新型HVC4422F擴展了內(nèi)存大小，能滿足OEM診斷要求并能耐受高溫環(huán)境。配備一體式MPU，滿足RTOS要求。HVC控制器搭載32位CPU內(nèi)核 (Arm Cortex-M3)，能高性價比地應(yīng)對機器人市場及其他市場（工業(yè)、消費品、儀器儀表等）日益增長的挑戰(zhàn)。該產(chǎn)品的靈活外設(shè)可提供直接控制有刷、步進（雙極或三相）或無刷 (BLDC) 電機的所有方法。

HVC系列還可選容量為32 KB (HVC4222/4223)或64 KB (HVC4420F/4422) 的閃存程序存儲器，為代碼開發(fā)、生產(chǎn)加速和系統(tǒng)內(nèi)固件更新提供了高度靈活性。

圖8：HVC的功能

適用于小型電機的完全集成的單片機電機控制解決方案MCU+驅(qū)動器

? 可選有傳感器或無傳感器配置，能靈活控制步進、有刷和無刷直流電機；

? 卓越性能，可實現(xiàn)復雜的控制方案；

? 最大限度減少外部組件數(shù)量；

? 支持系統(tǒng)診斷程序；

? 縮短開發(fā)時間；
?易于使用的開發(fā)工具和應(yīng)用說明
?完整的工作演示
?獲得汽車產(chǎn)品認證的專業(yè)固件包
?易于配置并能在不同應(yīng)用之間互用

圖9：框圖 - 系統(tǒng)架構(gòu)

機器人溫度傳感器

TDK的傳感器廣泛用于機器人技術(shù)中的溫度監(jiān)測應(yīng)用，以保證各項功能的正常運行。
TDK可提供廣泛的產(chǎn)品組合，為機器人應(yīng)用提供高精度溫度檢測支持。

引線式NTC元件
NTC元件采用高可靠性的玻璃封裝，具有響應(yīng)時間短的徑向引線式和易于處理的剛性軸向引線式可供選擇。 對于選項，還提供用于高絕緣性和防潮性的NTC探頭，以及可簡化安裝過程的引線加工。

鍵合式NTC芯片
鍵合式NTC芯片設(shè)計用于半導體設(shè)備中，其引線鍵合能為機器人產(chǎn)品的固定電池和電機控制器充電。 這些傳感器直接安裝在智能功率模塊中，用于監(jiān)測功率半導體的結(jié)溫。

圖10：NTC熱敏電阻產(chǎn)品概覽

	玻璃封裝	樹脂涂層	貼裝
類型	徑向引線式	軸向引線式	迷你傳感器	新型迷你傳感器	芯片
圖片
型號 （零件編號）	G15*0/G15*1 (B575*0G1*/B575*1G1*)	NTCDS/NTCDA /NTCDE/NTCDZ	S864 (B57864S*)	L862 (開發(fā)中)	S860 (B57860S*)
特點	響應(yīng)時間超短 尺寸小	易處理的剛性引線	防潮性更好 響應(yīng)時間短	無引線 溫度容差小 優(yōu)異的長期穩(wěn)定性 良好的抗熱震性	無引線 UL認證(E69802) 金屬化頂部和底部表面（金或銀） 有高耐溫性等級
可選高溫型號	-40 °C 至 300 °C	-40 °C 至 250 °C	-55 °C 至 155 °C	-55 °C 至 155 °C	-40 °C 至 150 °C
引線	Dumet合金線（銅包鎳鐵線） 可選玻璃體和引線涂層以滿足電絕緣 (G15*1) 要求，最高溫度可達260°C。 可選引線間距	鍍鎳CP線，可選鍍Sn。 可選引線彎曲度（NTCDA、NTCDE） 可選絕緣或減少應(yīng)力的涂層 (NTCDZ)，最高溫度可達160°C。	絕緣鍍銀鎳線，AWG30。	絕緣鍍銀鎳線	無引線 鍵合式NTC芯片
封裝	散裝、條形	折疊式編帶	散裝	散裝、帶裝	編帶裝 （在8英寸框架上）

多層片式NTC
SMD片式NTC非常適合板載溫度檢測和溫度補償應(yīng)用，可選尺寸范圍為3216到0402，可選導電膠安裝型號。
>>點擊可連接到片式NTC熱敏電阻的選型指南

溫度傳感器組件/系統(tǒng)
旋入式或螺口式傳感器可輕松安裝到專用組件上，是直接或間接通過機器人中的IGBT、電容器、線圈等散熱器監(jiān)測溫度的成熟解決方案?？諝鉁囟葌鞲衅髂芸煽繖z測冷卻空氣溫度并控制冷卻風扇。
除了標準零件編號，我們還能定制NTC特性、引線長度/端子加工等，歡迎聯(lián)系我們。

圖11：NTC傳感器組件/系統(tǒng)產(chǎn)品概覽

	旋入式傳感器	螺口式傳感器	空氣溫度傳感器	封閉型傳感器
型號	K45	M703/M1703	NTCGP(片狀端子)	M500	NTCGP(樹脂灌封)	NTCRP
圖片
特點	NTC熱敏電阻采用旋入式鋁制外殼封裝 絕緣電壓 Vins >2500Vac/1s 旋入式外殼可確保良好的熱耦合（M3 螺紋） 鍍錫銅引線 兼容RoHS指令	NTC熱敏電阻采用帶電纜出口的金屬標簽盒封裝 絕緣電壓 Vins > 2700 Vac/1s（可應(yīng)要求提供更高選項） 金屬標簽可確保良好的熱耦合 快捷的旋入式安裝 兼容RoHS指令	NTC熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂封裝，帶金屬接線片端子 可使用緊固螺釘固定，能可靠檢測安裝面的溫度 在靜止油中的響應(yīng)時間≤6秒 無引線 兼容RoHS指令	熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂封裝，并配備聚氯乙烯絕緣線 氣流中的響應(yīng)時間約為20秒 絕緣電壓 Vins > 1250 Vac/1s 兼容RoHS指令	NTC 熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂封裝 鍍錫平行聚氯乙烯絕緣線 在靜止油中的響應(yīng)時間≤6秒。 無引線 兼容RoHS指令	NTC熱敏電阻封裝采用玻璃封裝，并配備小型樹脂外殼 能在惡劣工況下可靠運行 工作溫度高達200°C 無引線 兼容RoHS指令
溫度范圍	-10 °C 至 +125 °C	M703: -20°C 至 125°C M1703: -10°C 至 260°C (傳感器頭)	-40 °C 至 +125 °C	-30 °C 至 +100 °C	-55 °C 至 +105 °C	-40 °C 至 +200 °C
標準尺寸

RoboKit開發(fā)套件

作為一種新型開發(fā)套件，TDK RoboKit能無縫集成各種解決方案中，包括TDK專為機器人市場而設(shè)計的產(chǎn)品組合。RoboKit集成了主要的TDK產(chǎn)品，如ICM-42688-P 6軸慣性測量單元 (IMU)、ICP-10111電容式氣壓傳感器、ICS-43434多模數(shù)字麥克風、CH101和CH201超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器，以及Micronas 電機控制器、角度傳感器和壓力傳感器。TDK提供的解決方案可滿足機器人市場的嚴格要求，比如可提供導航精度＜10°/小時的InvenSense IMU和RoboVac軟件、Coursa Drive的市場就緒慣性導航系統(tǒng) (INS)、能在任何照明條件下檢測各種顏色障礙物的InvenSense超聲波ToF傳感器，可精準控制機器人關(guān)節(jié)的Micronas電機控制器，以及括溫度傳感器和磁力計。TDK RoboKit軟件還與領(lǐng)先的操作系統(tǒng)ROS集成?，F(xiàn)在，面向IMU和超聲波距離傳感器的ROS就緒驅(qū)動程序已經(jīng)上市。

審核編輯：彭菁