多種傳感器技術(shù)在掃地機器人感知系統(tǒng)中的應用

　　近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域的熱點。其中，掃地機器人開辟了機器人應用的新領(lǐng)域。掃地機器人，又稱自動打掃機、智能吸塵、機器人吸塵器等，是智能家用電器的一種，能憑借一定的人工智能，自動在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用刷掃和真空方式，將地面雜物先吸納進入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理的功能。

　　掃地機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成：移動機構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。今天主要為大家介紹掃地機器人的感知系統(tǒng)，掃地機器人的感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。

　　超聲波傳感器。超聲波是一種一定頻率范圍的聲波它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。在掃地機器人中，避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理，位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物，經(jīng)單片機系統(tǒng)處理判斷前方物體的大小、遠近及大體屬性。

　　紅外測距傳感器。紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，即可利用紅外線的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。

　　接觸式傳感器。接觸式厚度傳感器，通常采用電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電位器式位移傳感器、霍耳式位移傳感器等進行接觸式厚度測量。為了連續(xù)測量移動著的物體的厚度，常在位移傳感器的可動端頭上安裝滾動觸頭，以減少磨損。接觸式厚度傳感器可測量物體高度，空間大小。全能清潔機器人可利用這一點探測障礙物的高度，進一步做出判斷發(fā)揮它的功能.

　　防碰撞傳感器。因各種因素的影響，掃地機器人難免會有撞上障礙物的可能。為了處理這種情況，我們利用光電開關(guān)傳感器來感應車體受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使掃地機器人做出相應的決策。

　　防跌落傳感器。為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器也是利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離，當超過限定值時，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機器人進行轉(zhuǎn)向，改變掃地機器人前進方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。

　　防過熱傳感器。為了防止掃地機器人持續(xù)工作導致電機過熱，從而導致電路的燒毀，在掃地機器人電路板上安裝兩個溫度傳感器。當掃地機器人工作一段時間電機溫度達到一定限度后一個溫度傳感器發(fā)送信號給控制器，控制器再控制掃地機器人停止工作，并運行散熱風扇進行散熱。當溫度降到一定程度后，另一個溫度傳感器發(fā)送信號給控制器，控制器在控制掃地機器人繼續(xù)工作。

　　床底深度清掃。床底、沙發(fā)底、柜子底等地方相對較臟，因此這些地方需要重點清掃，以保證清潔度。為實現(xiàn)此功能，在掃地機器人正面安裝8個光敏傳感器。掃地機器人在床底或柜子底開始工作后，光敏傳感器接收的光強較弱。當掃地機器人運行離開床底或柜子底時，光敏傳感器接收到的光強發(fā)生變化，向控制器發(fā)送信號，控制器發(fā)出控制信號，使掃地機器人轉(zhuǎn)向，重新回到暗處，繼續(xù)進行清掃。

　　灰塵盒防滿傳感器。為了檢查掃地機器人灰塵盒中的灰塵是否裝滿，在灰塵盒兩側(cè)安裝變介質(zhì)型電容傳感器。當灰塵盒中灰塵高度到達電容傳感器高度時，電容傳感器中的介質(zhì)發(fā)生改變，由于灰塵的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不同，從而引起傳感器電容變化，傳感器將信號傳給控制器，控制器控制掃地機器人發(fā)出報警信號，提醒主人應該清理灰塵盒了。

　　邊緣檢測傳感器。邊緣檢測傳感器是一個機械開關(guān)，開關(guān)的觸發(fā)端設(shè)計成一個滑輪結(jié)構(gòu)，在機器人的兩側(cè)各裝有一個，用于保證機器人可以始終貼著墻的邊緣走。這樣就可以對墻壁邊緣死角部分進行更好的清掃。

　　光電編碼器。光電編碼器是掃地機器人上的位置和速度檢測的傳感器，掃地機器人上的光電編碼器通過減速器和驅(qū)動輪的驅(qū)動電機同軸相連，并以增量式編碼的方式記錄驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)角度對應的脈沖。由于光電編碼器和驅(qū)動輪同步旋轉(zhuǎn)，利用碼盤、減速器、電機和驅(qū)動輪之間的物理參數(shù)，可將檢測到的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)的角度，即機器人相對于某一參考點的瞬時位置，這就是所謂的里程計。光電編碼器已經(jīng)成為在電機驅(qū)動內(nèi)部、輪軸，或在操縱機構(gòu)上測量角速度和位置的最普遍的裝置。因為光電編碼器是本體感受式的傳感器，在機器人參考框架中，它的位置估計是最佳的。

　　電子羅盤。電子羅盤是利用地磁場，檢測電子羅盤模塊相對于地磁場方向的偏轉(zhuǎn)角度的傳感器。電子羅盤模塊是由高可靠性的磁性傳感器及驅(qū)動芯片組成，集成度非常高，實現(xiàn)了高可靠性、高精度、強抗磁場干擾的數(shù)碼電子羅盤功能。

　　陀螺儀。針對電子羅盤容易受到電磁干擾以及光電編碼器會受到輪子打滑等不確定因素造成的角度測量不準的特點，確定物體的運動方向還需要一個傳感器，在上述情況發(fā)生時能夠精確測量運動物體運動的角度。陀螺儀是用來測量運動物體的角度、角速度和角加速度的傳感器，它能夠有效解決上述問題。

　　總而言之，任何機器人都離不開傳感器，機器人要具備智能行為必須不斷感知外界環(huán)境，從而做出相應的決策行為。因此，對于掃地機器人來說，用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當?shù)慕�模方法來理解環(huán)境，具有特別重要的意義。