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，最好能達到自動導航。目前,有多種掃地機器人在市面銷售，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，可通過軟件算法，提高清掃覆蓋率，實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

角速度傳感器也稱為陀螺儀，是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置，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型晶體產生形變，壓力改變后產生電壓，芯片檢測到電壓改變后做相應輸出。

圖1.掃地機器人產品圖

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關，接近開關與距離傳感器一起，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2.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。在繞過障礙物行走時，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。通過軟件計算出機器人行走路線，可做行程記錄，通過清掃路徑覆蓋算法，完成掃地規劃并且保存起來;運動過程中，可檢測機器人水平轉動與水平位置，調整機身運行狀態。在掃地機器人需要充電的時候，可以通過自身XOY坐標，快速回到充電站;充電完成后，還可以通過行程記錄，回到掃地處繼續進行清掃，效率大為提高。對于凹型或者死角地形，在清掃過程中做行程記錄，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、浮動開關模塊、沿邊行走檢測模塊，各功能傳感器模塊配合工作，能提高產品綜合性能。通過陀螺儀方向和電機行走路線，可以計算出移動變量，計算模型如圖3所示：

在當前時間內，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 ，則機器人當前時間內行走的距離Δs = (Δr + Δl)/2，轉過的角度(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)。

世強市場經理張永龍建議，在傳感器的選用上，需要注意以下方面：

(1)精度高，重復性好。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質量。用于檢測和控制機器人運動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。機器人的工作環境是不定和未知的，在運行中可能會有來自外在的干擾存在。

XV-3510產品特點

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)，非線性參數為±0.5 % FS，產品特性如下：

. 超小封裝尺寸的SMD(5x3.2x1.3mm)

. 通過采用真空密封實現優異的耐環境特性

. 利用振動晶體的高度穩定性

. 睡眠模式下的剪輯啟動時間和低功率消耗

. 應用于DVC與DSC圖像穩定性檢測，人機接口的運動檢測