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引言

掃地機(jī)器人越來(lái)越多地用于家庭、辦公室和酒店的清潔工作。掃地機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)之一是，使用戶做很少的工作即可完成清潔，從而騰出更多時(shí)間執(zhí)行其他任務(wù)。為了讓掃地機(jī)器人智能地執(zhí)行清潔任務(wù)，我們使用了各種傳感器來(lái)感測(cè)掃地機(jī)器人的外部環(huán)境（用于清潔導(dǎo)航）及其內(nèi)部狀態(tài)。使用傳感器的機(jī)器人提供的部分功能包括：電機(jī)換向、滾輪增量編碼、碰撞檢測(cè)、避障、懸崖探測(cè)、液位檢測(cè)、集塵箱放置檢測(cè)、水箱放置檢測(cè)和落輪檢測(cè)。

電機(jī)換向和滾輪增量編碼

掃地機(jī)器人具有多個(gè)滾輪，這些輪子必須轉(zhuǎn)動(dòng)，才能使機(jī)器人移動(dòng)。每個(gè)滾輪模塊通常都有自己的電機(jī)，讓每個(gè)滾輪獨(dú)立移動(dòng)。齒輪箱可用于優(yōu)化電機(jī)中的扭矩，從而實(shí)現(xiàn)出色的性能、電池壽命和牽引力。

掃地機(jī)器人的滾輪通常使用兩種類(lèi)型的電機(jī)：有刷電機(jī)和無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)可能要求每個(gè)滾輪有三個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器，以便為該滾輪的電機(jī)換向。但是，有刷電機(jī)不需要霍爾傳感器進(jìn)行電機(jī)換向。

除了旋轉(zhuǎn)滾輪之外，掃地機(jī)器人還需要一種機(jī)制來(lái)指示滾輪的移動(dòng)速度和方向，這種機(jī)制稱(chēng)為增量編碼。用于 BLDC 電機(jī)換向的霍爾效應(yīng)鎖存器也可重復(fù)用于增量編碼。

盡管有刷電機(jī)不需要霍爾效應(yīng)鎖存器來(lái)進(jìn)行電機(jī)換向，但真空電機(jī)中的有刷電機(jī)通常使用霍爾效應(yīng)鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)滾輪增量編碼。紅外 (IR) 編碼器也是有刷電機(jī)中進(jìn)行滾輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)的另一種選擇；但是，由于這些光學(xué)編碼器的性能受灰塵影響，因此不是滾輪增量編碼的理想選擇。雖然紅外編碼器可以通過(guò)密封來(lái)減少灰塵，但密封傳感器并不總是能完全防止紅外編碼器暴露于這些污染物，尤其是因?yàn)閽叩貦C(jī)器人通常會(huì)暴露于污垢和灰塵中。

圖 1-1 顯示了一個(gè)滾輪編碼的實(shí)現(xiàn)示例。在此實(shí)現(xiàn)方案中，電機(jī)上放置了一個(gè)磁盤(pán)，磁盤(pán)與電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)。磁盤(pán)有多組北極和南極。磁盤(pán)下方有兩個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器，每當(dāng)它們檢測(cè)出南極到北極或北極到南極之間的轉(zhuǎn)換時(shí)，便會(huì)更改其輸出。觀察兩個(gè)霍爾鎖存器相互改變輸出的順序可以確定滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。轉(zhuǎn)換頻率和磁盤(pán)上的極數(shù)決定了電機(jī)的速度。在不需要檢測(cè)方向的系統(tǒng)中，只需一個(gè)霍爾鎖存器即可確定電機(jī)速度。通過(guò)電機(jī)和滾輪之間的傳動(dòng)比，可將電機(jī)速度換算為滾輪速度。

圖 1-1 滾輪增量編碼的實(shí)現(xiàn)示例

避障和懸崖探測(cè)

掃地機(jī)器人必須使用一種機(jī)制來(lái)避開(kāi)用戶不希望掃地機(jī)器人接近的障礙物或區(qū)域。通常使用磁體方案來(lái)避障。在磁體方案中，用戶在不希望掃地機(jī)器人接近的區(qū)域或障礙物周?chē)鷳?yīng)用磁條，如圖 1-2 所示。在圖 1-2 中，磁條放置在冰箱周?chē)＞哂谢魻栃?yīng)傳感器的掃地機(jī)器人會(huì)感應(yīng)到磁條的磁通量密度，從而不會(huì)接近該區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)只需要知道它是否靠近障礙物時(shí)，霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)可用做霍爾效應(yīng)傳感器，而線性霍爾效應(yīng)傳感器可用于獲取磁條實(shí)際位置的更多信息。

圖 1-2 在障礙物周?chē)砑哟艞l以實(shí)現(xiàn)避障

還可以使用超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)避障，超聲波傳感器使用超聲波飛行時(shí)間原理來(lái)計(jì)算與附近物體的距離，從而避開(kāi)這些物體。但是，這種方法的有效性取決于所檢測(cè)物體的材料，而通過(guò)磁體方案避障不受物體材料的影響。超聲波傳感器還可用于確定地板材料，以便機(jī)器人知道如何根據(jù)地板材料適當(dāng)清潔地板表面。激光雷達(dá)通常還用于繪制真空區(qū)域圖。

懸崖探測(cè)可確定機(jī)器人何時(shí)接近懸崖，例如樓梯的頂層，從而防止機(jī)器人從樓梯滾落。為了避免懸崖，可以在懸崖前面放置一個(gè)磁條，以免掃地機(jī)器人接近它。也可以使用 IR 傳感器實(shí)現(xiàn)懸崖探測(cè)，但當(dāng)直接暴露在臟污環(huán)境中時(shí)，此實(shí)現(xiàn)方案會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。超聲波傳感器還可用于懸崖探測(cè)，方法是感應(yīng)傳感器到地面的距離增加；但是，懸崖探測(cè)的結(jié)果取決于懸崖本身材料。

碰撞檢測(cè)

掃地機(jī)器人還必須檢測(cè)何時(shí)碰撞到某個(gè)物體，以便能夠調(diào)整導(dǎo)航。為了檢測(cè)機(jī)器人前半部分是否會(huì)與周?chē)鲎玻枰褂枚鄠€(gè)傳感器來(lái)覆蓋整個(gè)潛在碰撞點(diǎn)范圍內(nèi)的檢測(cè)。

可使用多對(duì)紅外接收器和發(fā)送器實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)?；诩t外的實(shí)現(xiàn)方案有若干缺點(diǎn)，包括需要許多對(duì)紅外發(fā)送器和接收器，并且需要一個(gè)無(wú)干擾環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)理想傳感，后一項(xiàng)要求很難滿足，即使紅外發(fā)送器和接收器做到了防塵也不行。

更理想的碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方案是使用霍爾器件，此方法不需要紅外碰撞檢測(cè)要求的無(wú)干擾環(huán)境。在磁式碰撞檢測(cè)中，磁體可以放置在保險(xiǎn)杠的內(nèi)部，檢測(cè)這些磁體的線性霍爾效應(yīng)傳感器可以放置在機(jī)器人內(nèi)部更深的位置（如圖 1-3 所示）。每當(dāng)保險(xiǎn)杠碰撞到某個(gè)物體時(shí)，它會(huì)使保險(xiǎn)杠區(qū)域向內(nèi)收縮，從而導(dǎo)致相應(yīng)的磁體更靠近各自的霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鲗⒏袘?yīng)接近傳感器的磁體的磁通密度變化，并相應(yīng)地更改其輸出，從而提醒機(jī)器人它撞到物體。保險(xiǎn)杠具有彈簧，可在碰撞后傳感器-磁體距離恢復(fù)正常時(shí)返回其原始位置。除了能夠在臟污的環(huán)境中工作外，這種基于霍爾器件的碰撞檢測(cè)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，需要的傳感器與紅外碰撞檢測(cè)方案少。

圖 1-3 磁式碰撞檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)示例

液位檢測(cè)

一些掃地機(jī)器人也能夠拖地。這些機(jī)器人有一個(gè)水箱，可存儲(chǔ)用于拖地的清潔液。傳感器可用于確定水箱內(nèi)清潔液的液位，以便在需要將新液體進(jìn)入機(jī)器人時(shí)提醒用戶。圖 1-4 顯示了使用霍爾效應(yīng)傳感器的液位檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方案。在此實(shí)現(xiàn)方案中，一側(cè)的樞軸上連接了一個(gè)桿，另一側(cè)連接一個(gè)浮子。有一個(gè)徑向磁體和一個(gè)線性 3D 霍爾傳感器或兩個(gè) 1D 霍爾傳感器連接到桿上。浮子根據(jù)水位改變其垂直位置，這也會(huì)導(dǎo)致磁體的放置角度。線性霍爾傳感器可感應(yīng)磁體的角度放置，并將此信息提供給掃地機(jī)器人中的微控制器，以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的水位。德州儀器 (TI) 還具有可用于液位檢測(cè)的其他傳感技術(shù)，例如電容式感應(yīng)或超聲波傳感計(jì)量。

圖 1-4 基于霍爾器件的液位檢測(cè)

集塵箱和水箱放置檢測(cè)

與吸塵器類(lèi)似，掃地機(jī)器人具有可拆卸的集塵箱容器，用于存儲(chǔ)真空收集的灰塵和其他碎屑。掃地機(jī)器人應(yīng)檢查集塵箱是否已安裝到位，以確保真空除塵的灰塵有適當(dāng)?shù)姆胖梦恢??？梢允褂没魻栃?yīng)開(kāi)關(guān)將磁體放置在可拆卸的集塵箱容器上，并將霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)放置在機(jī)器人附近，從而放置集塵箱。當(dāng)集塵箱正確放置在機(jī)器人內(nèi)時(shí)，磁體將靠近霍爾開(kāi)關(guān)，從而使其輸出保持低電平。卸下集塵箱后，集塵箱上的磁體不再靠近機(jī)器人內(nèi)的集塵箱傳感器，這會(huì)導(dǎo)致霍爾開(kāi)關(guān)的輸出被置為高電平，從而告訴掃地機(jī)器人內(nèi)部無(wú)集塵箱。類(lèi)似的實(shí)現(xiàn)方案也可用于檢測(cè)拖地機(jī)器人中是否正確安裝了水箱容器。

輪落檢測(cè)

掃地機(jī)器人需要了解何時(shí)離地，以便能夠停止轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪。為了檢測(cè)掃地機(jī)器人何時(shí)離地，滾輪模塊使用了一個(gè)內(nèi)部彈簧，當(dāng)滾輪在地面上時(shí)，彈簧會(huì)被壓縮。內(nèi)部壓縮也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)被按下。當(dāng)掃地機(jī)器人離地時(shí)，彈簧會(huì)松開(kāi)，這會(huì)導(dǎo)致滾輪掉落并松開(kāi)開(kāi)關(guān)。如果開(kāi)關(guān)松開(kāi)，它會(huì)通知掃地機(jī)器人已離地。可通過(guò)微型開(kāi)關(guān)或使用霍爾效應(yīng)傳感器和磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)輪落檢測(cè)開(kāi)關(guān)。在基于霍爾器件的方法中，磁體可以放置在開(kāi)關(guān)內(nèi)，而霍爾開(kāi)關(guān)可以放置在附近。如果按下開(kāi)關(guān)，則會(huì)使磁體更靠近傳感器，從而使傳感器將其輸出置為低電平。當(dāng)由于裝置離地而松開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，磁體將遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)，這將導(dǎo)致其輸出置為高電平，機(jī)器人將知道它已離地。