角速度傳感器在掃地機器人避障上的應用

       摘要

　　在智能家居中，掃地機器人將是必不可少的成員，而掃地機器人則要求更智能化;高效率是要求的一方面，最好能達到自動(dòng)導航。目前,有多種掃地機器人在市面銷(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的功能和成功應用，增加掃地機器人的方向感應，可通過(guò)軟件算法，提高清掃覆蓋率，實(shí)現行程記錄與掃地規劃，以及快速回到掃地機器人充電站。

　　陀螺儀檢測原理

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

　　圖1.雙T型晶體角速度檢測原理

　　圖2.掃地機器人產(chǎn)品圖

　　系統組成

　　掃地機器人設備由主控器MCU、距離傳感器、陀螺儀、電源、吸塵器等組成，在清掃機的頂部共設有距離傳感器;掃地機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，構成清掃機測距系統;利用距離傳感器判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。

　　圖3.系統組成框圖

　　陀螺儀功能

　　XV-3510陀螺儀在掃地機器人的功能，主要是判斷出機器人的行走方向，配合室內定位系統，行走電機的運行狀況，可以準確定位出XOY坐標。在繞過(guò)障礙物行走時(shí)，記錄繞行方向，避免機器人重復行走，免除重復清掃，提高清掃效率。通過(guò)軟件計算出機器人行走路線(xiàn)，可做行程記錄，通過(guò)清掃路徑覆蓋算法，完成掃地規劃并且保存起來(lái);運動(dòng)過(guò)程中，可檢測機器人水平轉動(dòng)與水平位置，調整機身運行狀態(tài)。在掃地機器人需要充電的時(shí)候，可以通過(guò)自身XOY坐標，快速回到充電站;充電完成后，還可以通過(guò)行程記錄，回到掃地處繼續進(jìn)行清掃，效率大為提高。對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。

　　坐標計算方法

　　掃地機器人所用傳感器，包括陀螺儀、紅外傳感器、碰撞檢測模塊、浮動(dòng)開(kāi)關(guān)模塊、沿邊行走檢測模塊，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)陀螺儀方向和電機行走路線(xiàn)，可以計算出移動(dòng)變量，計算模型如圖4所示：

　　圖4.移動(dòng)增量模型

　　在當前時(shí)間內，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，則機器人當前時(shí)間內行走的距離Δs = (Δr + Δl)/2，轉過(guò)的角度(設定初始角度為0°)為Δθ = (Δr−Δl)/d，則當前坐標計算為Δx = Δs * cos(Δθ)，Δy = Δs * sin(Δθ)。

　　在傳感器的選用方面，需要注意以下方面：

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

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

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

　　XV-3510產(chǎn)品特點(diǎn)

　　世強代理的EPSON陀螺儀XV-3510，檢測范圍±300 deg/s，模擬輸出參考電壓1430mV，比例因子為3.0 mV/(°/s)，非線(xiàn)性參數為±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)現優(yōu)異的耐環(huán)境特性

　　. 利用振動(dòng)晶體的高度穩定性

　　. 睡眠模式下的剪輯啟動(dòng)時(shí)間和低功率消耗

　　. 應用于DVC與DSC圖像穩定性檢測，人機接口的運動(dòng)檢測