前言

服務型機器人在社會中的作用越來越重要，廣泛見于諸如從運輸和倉儲物流到家庭娛樂和安全應用的各個領域。但無論是哪種應用，機器人都需要實時感知周邊環境的變化，以確保安全，同時提供積極的用戶體驗。

本期推文就以代表服務型機器人的掃地機器人 (RVC) 為例，介紹TDK的SmartSensor系列傳感器和其豐富多彩的傳感器技術在服務型機器人領域的應用方案。

早期版本的掃地機器人智能程度不高，存在諸多缺陷，例如無法正確規劃清掃路線而導致清掃范圍不全面，或者是清掃途中因剩余電力不足而停止在原地。而且其塵盒通常比傳統有線吸塵器要小，無法即時感知塵滿狀態，導致無效清掃的情況時有發生。近年來，隨著傳感器和電機控制器創新技術的應用，掃地機器人的性能也得到了極大的提升，變得更加智能，具備了以下特點。

高精度移動

不管掃地機器人如何變化，其基礎都是高精度移動。對此，TDK提供能直接控制各種步進電機、有刷 (BDC) 和無刷 (BLDC) 直流電機的智能HVC 4222F嵌入式電機控制器。它們能精確控制驅動轉動齒輪的電機，以確保掃地機器人的車輪始終朝正確的方向移動。高精度控制對于確保掃地機不偏離預定路線至關重要，此類機械要素的高精度控制與傳感器的搭載與否無關，精確知曉車輪轉動的角度 (比如是90度而非88度) 對于確保掃地機器人在某個時段內處于適當的位置至關重要。

檢測地板類型、斷橋斷面個障礙物

超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器 (例如CH101和CH201，可分別在最遠1.2米和5米范圍內精確測量目標距離) 會發出超聲波脈沖，并在傳感器視場 (FoV) 監聽物體反彈的回波。隨后，內置處理單元會通過計算超聲波的飛行時間來確定目標距離，并發送到外部控制單元。與光學距離傳感器不同，超聲波傳感器能在任何照明條件 (包括黑暗環境) 下工作，具有毫米級的測量精度，且不受目標顏色的影響，即使是玻璃等透明物體也不例外。用于長距離檢測的CH201可幫助掃地機器人在無論晝夜環境下都能夠精確探測到任何移動和靜止的物體，以便其及時改變行走路線避免發生碰撞；另一款用于短距離檢測的CH101超聲波ToF傳感器則可幫助掃地機器人確定不同的地板類型。因為表面軟硬程度不同的物體，其反射回的超聲波信號振幅也不同。當掃地機器人從木地板區域移動到鋪有地毯的區域時，傳感器可以發出指令讓電機加速，因為在地毯上的移動阻力更大，需要更強的驅動力。此外，這些傳感器還能檢測到掃地機器人是否已移動到樓梯邊緣，避免摔落。

圖1: 超聲波傳感基礎知識

規劃路線

許多掃地機器人的導航解決方案采用視覺同時定位與地圖創建 (VSLAM) 或激光雷達技術 (LiDAR) 技術來構建房間的虛擬地圖，以提高移動效率。但是，如果其因某種原因被提起并放在不同的地方，掃地機器人就會忘記自己身在哪里。這時，它需要沿隨機方向移動，通過追蹤墻壁來重新發現處于地圖中的哪個位置。使用慣性測量單元 (IMU)，比如TDK的ICM-42688-P，就能有效克服這個問題。

這些六軸運動傳感器從線性和旋轉角度獲取掃地機器人的滾動、俯仰和偏航運動，然后結合動作和房間地圖，就能精確定位。即使被人提起來放在別的地方，它也能快速知曉所處真實空間中的位置。對于不使用VSLAM或激光雷達測繪技術的掃地機器人，可使用航位推算法來定位和導航。通過測量車輪旋轉角度，結合IMU的慣性測量值和ToF傳感器的物體檢測相結合，它就能在房間內自行定位。

圖2: 地面?高低差?障害物檢測

語音識別

如果想在掃地機器人上增加帶有語音輔助的AI功能，高性能麥克風是必不可少的。TDK的ICS-43434多模數字麥克風具有適合此類應用的理想特性。但是，由于目前掃地機器人的電機和其旋轉刷的運轉噪音有些大，麥克風很難識別語音指令。如果噪音能夠被稍加抑制，我們就可以通過AI智能實現對掃地機器人的語音控制，例如可以口頭指示想要清潔的區域，或命令它停止清掃工作。對于此類噪音的一種解決方案是可以在掃地機器人內搭載高級電機控制器 (例如HVC 4420F)，當麥克風識別到語音指令時，此電機控制器可以立即減慢或者停止電機以降低噪音，這時，麥克風就可以對語音指令實現更高精度的識別。

塵滿檢測和自動充電

使用壓力傳感器監測通過塵盒的空氣流量，可以估算出塵盒內的垃圾積存情況。TDK的氣壓傳感器ICP-10101適用于此類應用。當檢測到塵盒內的氣壓下降時表明塵盒已滿，此時可觸發掃地機器人停止工作并返回充電座。找正品元器件，上唯樣商城，一些高端充電座具有自動清掃塵盒功能，塵盒被清理后，掃地機器人便可回到其最后停止工作的位置并繼續清掃。

另一方面，當電池的剩余電量不足，達到SoC (State of Charge) 水平時，電池管理系統可發送指令讓掃地機器人停止工作并返回充電底座。充滿電后，掃地機器人也會回到其最后停止工作的位置繼續清掃。因此，理論上無論房間大小，掃地機器人都能連續運行直至完成計劃的清掃工作。

圖3: 集塵箱滿檢測

自我檢測功能

TDK的NTC熱敏電阻是一種溫度傳感器，可用于監控MCU或MPU的工作溫度，此外還可用于監測電機和電刷齒輪的溫度。一旦刷子被橡膠皮套或多余的毛發等卡住，就會導致電機過度補償運行并過熱。溫度傳感器能夠檢測機器運行時的溫度狀況，當發生過熱情況時，會觸發掃地機器人暫時停止工作而進行散熱，還會運行一些系統診斷程序以找出導致過熱問題的根源。

編輯：黃飛