家庭服務(wù)機(jī)器人紅外避障傳感器安裝位置分析

服務(wù)機(jī)器人在家庭住宅、酒店客房、辦公空間、會(huì)所等室內(nèi)空間使用時(shí)，都要用到避障傳感器，通常采用紅外、超聲波、激光雷達(dá)、雙目視覺四種傳感器中的一種或多種進(jìn)行避障操作，本文將主要分析紅外避障傳感器的安裝位置。

紅外避障傳感器基本原理：利用物體的反射性質(zhì)。在一定范圍內(nèi)，如果沒有障礙物，發(fā)射出去的紅外線，因?yàn)閭鞑ゾ嚯x越遠(yuǎn)而逐漸減弱，最后消失。如果有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到達(dá)傳感器接收頭。傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)，就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行一系列的處理分析，協(xié)調(diào)服務(wù)機(jī)器人的兩輪工作，完成躲避障礙物動(dòng)作。

紅外避障傳感器是專為輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)的一款距離可調(diào)式避障傳感器。其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物(反射面)時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，此時(shí)指示燈亮起，經(jīng)過電路處理后，信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離2～40cm，工作電壓為3.3V-5V，由于工作電壓范圍寬泛，在電源電壓波動(dòng)比較大的情況下仍能穩(wěn)定工作，適合多種單片機(jī)、Arduino控制器、樹莓派使用，安裝到機(jī)器人上即可感測(cè)周圍環(huán)境的變化。

一種典型的紅外壁障傳感器

紅外避障傳感器工作原理：紅色線接5V，黃色接信號(hào)，綠色GND 接電源負(fù)極或單片機(jī)上的邏輯地。前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口(黃色)電平會(huì)從高電平變成低電平(0)。背面圖有一個(gè)電位器可以調(diào)節(jié)障礙的檢測(cè)距離。在電路設(shè)計(jì)中可以再輸出端黃線加上拉電阻10K到5V，再接入單片機(jī)檢測(cè)，會(huì)比較穩(wěn)定，單片機(jī)檢測(cè)可以采用外部硬件中斷INT0 INT1等來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前在服務(wù)機(jī)器人本體上安裝的紅外避障傳感器通過按照高中低三組進(jìn)行安裝，如最常見的安裝高度為低位80mm，中位480mm，高位780mm。這一安裝高度的設(shè)定并沒有充分的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了許多情況紅外避障傳感器因?yàn)榘惭b太高、太低或密度不夠?qū)е聼o法探知到附近障礙物，從而影響服務(wù)機(jī)器人的行動(dòng)并對(duì)可能會(huì)環(huán)境和人造成破壞，這都是紅外避障傳感器安裝方法不恰當(dāng)造成的，急需根據(jù)環(huán)境特色尤其障礙物特點(diǎn)研究更合適的紅外避障傳感器的部署方案。

廣州零號(hào)軟件科技有限公司(機(jī)器人零號(hào))在健康養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)過程中，進(jìn)行了大量的實(shí)景測(cè)量和場(chǎng)景模擬，基本總結(jié)出住宅等室內(nèi)空間內(nèi)服務(wù)機(jī)器人所需的紅外傳感器安裝高度，這些經(jīng)驗(yàn)也用在哈士奇健康服務(wù)機(jī)器人本體上。

我們?cè)谘邪l(fā)中，依據(jù)家具設(shè)計(jì)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，整理和總結(jié)常見的家具的高度，尤其分析家具凸出物如桌邊、椅面和靠背、茶幾邊、沙發(fā)扶手和靠背、床邊，因?yàn)檫@些在垂直面上超出底部和凸出部位是最容易給服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)帶來障礙的。以下是有關(guān)家具的高度的尺寸說明：

1、桌類家具高度尺寸標(biāo)準(zhǔn)可以有700mm、720mm、740mm、760mm四個(gè)規(guī)格;

2 椅凳類家具的座面高度可以有400mm、420mm、440mm三個(gè)規(guī)格。

3 床沿一般來說床沿高度以45厘米為宜;褥面距地面高度來測(cè)算，標(biāo)準(zhǔn)是46~50厘米;

4 沙發(fā)的一般座高：350-420mm;扶手高560-600mm;單人式背高：700-900mm。

5、茶幾：高度為350-500mm。

在室內(nèi)的其它家具，包括柜子、箱子、書架等都在垂直面上基本保持一致沒有明顯的凸出部位，所以服務(wù)機(jī)器人紅外傳感器在任何高度測(cè)量到的距離都是一致的，只要任何高度的一個(gè)紅外傳感器獲得數(shù)據(jù)就可以代表感知到這一障礙物，所以，這類具有平整立面的家具不用考慮紅外避障傳感器的新的安裝方法。

家電，尤其是可能出現(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)路徑附件的一些家電，如冰箱、洗衣機(jī)、飲水機(jī)等，也具有平整的立面，所以也不用考慮慮紅外避障傳感器的新的安裝方法。

由于家具的桌面板材厚度有16mm、18mm、25mm等三個(gè)主要尺寸，茶幾的鋼化玻璃的厚度為10mm以上，通常12mm。因此，我是從家具表面(家具高度最高點(diǎn))向下10mm范圍是可以觸碰到家具的凸出面的，這也就可以成為服務(wù)機(jī)器人紅外避障傳感器安裝高度的重要依據(jù)。

根據(jù)家具的特征，我們整理出對(duì)于服務(wù)機(jī)器人行動(dòng)比較敏感的一些高度：

因此，從上表可獲得服務(wù)機(jī)器人安裝紅外避障礙服務(wù)機(jī)器人的低位、中位、高位。有了安裝的高度，還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)紅外避障礙傳感器的布局。

為了獲得最佳的避障效果，我們一共采用24個(gè)紅外避障傳感器，其中正面安裝12個(gè),兩個(gè)側(cè)面每個(gè)側(cè)面安裝3個(gè)共計(jì)6個(gè)，后面安裝6個(gè)。

低位的紅外避障傳感器在80mm高度分布安裝，其中正面部署2個(gè)，兩個(gè)側(cè)面每個(gè)側(cè)面1個(gè)，背面2個(gè)。

中位的紅外避障傳感器在五個(gè)不同高度分布安裝，分別是340mm、390mm、420mm、430mm、490mm。其中正面要求有五個(gè)紅外避障傳感器在五個(gè)高度全部部署安裝，側(cè)面安裝一個(gè)紅外避障傳感器，高度為420mm;背面安裝三個(gè)紅外避障傳感器，高度分別為340mm、390mm、420mm。

高位的紅外避障傳感器在四個(gè)不同高度分布安裝，分別是690mm、720mm、730mm、750mm。其中正面要求有四個(gè)紅外避障傳感器在四個(gè)高度全部部署安裝，側(cè)面安裝一個(gè)紅外避障傳感器，高度為720mm;背面安裝兩個(gè)紅外避障傳感器，高度分別為690mm、730mm。

在本案例中，紅外避障傳感器采用NPN型光電開關(guān);輸出狀態(tài)是0、1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平，檢測(cè)到目標(biāo)是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出，輸出外加一個(gè)1K左右的上拉電阻即可連接到單片機(jī)IO口上。由于設(shè)計(jì)了24個(gè)紅外避障傳感器，因此，對(duì)應(yīng)需要單片機(jī)IO數(shù)量為24個(gè)。

這種安裝位置與安裝方法，相對(duì)于現(xiàn)有的紅外避障感器的安裝方法進(jìn)行了重要改進(jìn)：針對(duì)家具凸出物高度進(jìn)行的安裝位置優(yōu)化，采用了低中高三個(gè)安裝區(qū)域共24組紅外避障傳感器，分布安裝在服務(wù)機(jī)器人的前面、兩側(cè)和后面。讓紅外避障傳感器總能掃描到家具凸出面，從而讓服務(wù)機(jī)器人能夠進(jìn)行有效避讓各類家具，適用于家庭服務(wù)機(jī)器人、商用服務(wù)機(jī)器人、送餐機(jī)器人等各類服務(wù)機(jī)器人。