角速度傳感器在掃地機(jī)器人避障上的應(yīng)用

摘要

在智能家居中，掃地機(jī)器人將是必不可少的成員，而掃地機(jī)器人則要求更智能化;高效率是要求的一方面，最好能達(dá)到自動(dòng)導(dǎo)航。目前,有多種掃地機(jī)器人在市面銷(xiāo)售，在效率和效果方面有所欠缺。該文介紹了角速度傳感器XV-3510的功能和成功應(yīng)用，增加掃地機(jī)器人的方向感應(yīng)，可通過(guò)軟件算法，提高清掃覆蓋率，實(shí)現(xiàn)行程記錄與掃地規(guī)劃，以及快速回到掃地機(jī)器人充電站。

陀螺儀檢測(cè)原理

角速度傳感器也稱(chēng)為陀螺儀，是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，此為機(jī)械陀螺儀。EPSON采用雙T型晶體做為檢測(cè)角速度的材料，屬于電子式的一種，如圖1中所示;當(dāng)芯片做一定角度旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部T型晶體產(chǎn)生形變，壓力改變后產(chǎn)生電壓，芯片檢測(cè)到電壓改變后做相應(yīng)輸出。

圖1.掃地機(jī)器人產(chǎn)品圖

系統(tǒng)組成

掃地機(jī)器人設(shè)備由主控器MCU、距離傳感器、陀螺儀、電源、吸塵器等組成，在清掃機(jī)的頂部共設(shè)有距離傳感器;掃地機(jī)器人底部前方邊沿安有接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)與距離傳感器一起，構(gòu)成清掃機(jī)測(cè)距系統(tǒng);利用距離傳感器判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。

圖2.系統(tǒng)組成框圖

陀螺儀功能

XV-3510陀螺儀在掃地機(jī)器人的功能，主要是判斷出機(jī)器人的行走方向，配合室內(nèi)定位系統(tǒng)，行走電機(jī)的運(yùn)行狀況，可以準(zhǔn)確定位出XOY坐標(biāo)。在繞過(guò)障礙物行走時(shí)，記錄繞行方向，避免機(jī)器人重復(fù)行走，免除重復(fù)清掃，提高清掃效率。通過(guò)軟件計(jì)算出機(jī)器人行走路線，可做行程記錄，通過(guò)清掃路徑覆蓋算法，完成掃地規(guī)劃并且保存起來(lái);運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可檢測(cè)機(jī)器人水平轉(zhuǎn)動(dòng)與水平位置，調(diào)整機(jī)身運(yùn)行狀態(tài)。在掃地機(jī)器人需要充電的時(shí)候，可以通過(guò)自身XOY坐標(biāo)，快速回到充電站;充電完成后，還可以通過(guò)行程記錄，回到掃地處繼續(xù)進(jìn)行清掃，效率大為提高。對(duì)于凹型或者死角地形，在清掃過(guò)程中做行程記錄，可順利清掃。

坐標(biāo)計(jì)算方法

掃地機(jī)器人所用傳感器，包括陀螺儀、紅外傳感器、碰撞檢測(cè)模塊、浮動(dòng)開(kāi)關(guān)模塊、沿邊行走檢測(cè)模塊，各功能傳感器模塊配合工作，能提高產(chǎn)品綜合性能。通過(guò)陀螺儀方向和電機(jī)行走路線，可以計(jì)算出移動(dòng)變量，計(jì)算模型如圖3所示：

在當(dāng)前時(shí)間內(nèi)，左輪輪子行走的距離為Δr，右輪行走的距離為Δl，兩輪的軸間距為d ，則機(jī)器人當(dāng)前時(shí)間內(nèi)行走的距離Δs = (Δr + Δl)/2，轉(zhuǎn)過(guò)的角度(設(shè)定初始角度為0°)為Δθ = (Δr − Δl)/d，則當(dāng)前坐標(biāo)計(jì)算為Δx = Δs * cos(Δθ)，Δy = Δs * sin(Δθ)。

世強(qiáng)市場(chǎng)經(jīng)理張永龍建議，在傳感器的選用上，需要注意以下方面：

(1)精度高，重復(fù)性好。機(jī)器人傳感器的精度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。用于檢測(cè)和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器是控制機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)。機(jī)器人能否準(zhǔn)確無(wú)誤地正常工作，很大程度上取決于傳感器的測(cè)量精度。

(2)穩(wěn)定性好、可靠性高。機(jī)器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作的必要條件。

(3)抗干擾能力強(qiáng)。機(jī)器人的工作環(huán)境是不定和未知的，在運(yùn)行中可能會(huì)有來(lái)自外在的干擾存在。

XV-3510產(chǎn)品特點(diǎn)

世強(qiáng)代理的EPSON陀螺儀XV-3510，檢測(cè)范圍±300 deg/s，模擬輸出參考電壓1430mV，比例因子為3.0 mV/(°/s)，非線性參數(shù)為±0.5 % FS，產(chǎn)品特性如下：

. 超小封裝尺寸的SMD(5x3.2x1.3mm)

. 通過(guò)采用真空密封實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的耐環(huán)境特性

. 利用振動(dòng)晶體的高度穩(wěn)定性

. 睡眠模式下的剪輯啟動(dòng)時(shí)間和低功率消耗

. 應(yīng)用于DVC與DSC圖像穩(wěn)定性檢測(cè)，人機(jī)接口的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)