掃地機器人里各類傳感器的重要作用

服務機器人在社會生活中越來越常見，廣泛見諸于物流/運輸、安保、保潔、家政、愛好/娛樂，以及護理/協(xié)助等各種應用場景。但無論是哪種應用，都要在保持人機交互(HMI)通信順暢的同時，還要滿足對安全以及實時響應等諸多要求。對于服務機器人來說，傳感器的作用至關重要。本文將以掃地機器人為例介紹各類傳感器的重要作用。

掃地機器人中用到的TDK產(chǎn)品

掃地機器人用到的傳感器種類繁多，比如檢測位置用的運動傳感器；語音識別用的麥克風；檢測塵盒是否已滿的氣壓傳感器；檢測障礙物用的超聲波ToF傳感器，檢測室內(nèi)環(huán)境用的氣體和溫度傳感器；管理電池電量用的電流傳感器，以及檢測角度和位置用的霍爾和TMR傳感器等。此外，還有專為驅(qū)動小型有刷、步進或無刷電機而設計的嵌入式電機控制器，能將一體式MCU用作終端應用的內(nèi)置輔助微控制器。針對特定應用需求，TDK還可提供其他傳感器解決方案。

圖1：框圖 - 掃地機器人

檢測地板類型、陡峭斷面和障礙物

我們通過地板類型、陡峭斷面和障礙物檢測應用介紹TDK的CH101和CH201超聲波飛行時間距離傳感器的功能。

CH101和CH201均為小型超低功耗的超聲波飛行時間 (ToF) 距離傳感器，分別可精確測量最遠1.2m和5m的距離。傳感器借助超聲波脈沖回波測量距離，能在任何照明條件（包括陽光照射）下工作，具有毫米級的測量精度，且不受目標顏色和透明度的影響。傳感器具有寬視場 (FoV) 的特點，能同時測量與視場中多個物體的距離。

對于地板類型檢測應用，可使用CH101模塊的信號測量來實現(xiàn)。此應用是通過測量反射的超聲波信號的平均幅度來判斷目標表面是“硬”還是“軟”。

存在性檢測應用則通過運動檢測來確定是否有人或物體存在。這兩種傳感器都可實現(xiàn)此應用。

對于陡峭斷面檢測應用，則使用CH101模塊來實現(xiàn)，模塊中可配置和運行一個或多個CH101傳感器。

上述應用廣泛見諸于各種機器人產(chǎn)品，比如無人機、吸塵器、自主移動機器人 (AMR)、類人機器人或協(xié)作機器人。

圖2：檢測地板類型、陡峭斷面和障礙物

超聲波感應基礎

地板類型檢測	障礙物檢測	跌落/陡峭斷面檢測

RoboVac（軟件解決方案）

RoboVac軟件專為掃地機器人應用中的高級6軸運動傳感器ICM-42688-P而開發(fā)，是一款支持軟件，可充分發(fā)揮ICM-42688-P的性能，同時彌補MEMS運動傳感器的已知缺點。
TDK的RoboVac軟件實現(xiàn)的主要功能包括：

? 充分利用ICM-42688-P的高分辨率（20比特）、精確采樣 (RTC) 和穩(wěn)定性 (VLN) 等特點，同時融合6軸數(shù)據(jù)，為機器人路徑規(guī)劃提供精準導航；
? 在機器人啟動后和準備就緒之前校準傳感器偏差；
? 預測因時間和溫度導致的綜合降額，并指示主機停止以進行動態(tài)校準；
? 動態(tài)校準因時間和溫度引起的傳感器漂移。

圖3：ICM-42688-P

ICM-42688-P （完美適用于機器人運動跟蹤應用的高性能6軸IMU）

? 6 軸MEMS運動傳感器；

? 行業(yè)領先的性能，具有噪聲小、靈敏度高、時間和溫度漂移低等特點；

? 具有可提高應用性能的獨特功能，與RTC、20位ADC、高達32kHz的ODR同步采樣；

? 低功耗
低噪聲模式下的加速度計+陀螺儀：880μA
低功耗模式下的加速度計：?50μA

? 小型封裝
2.5 x 3.0 x 0.91 mm (LGA-14)

圖4：傳感器融合和應用時校準軟件對機器人航向跟蹤的重要性

常規(guī)6軸傳感器融合和校準

VS

TDK的RoboVac（軟件解決方案）

?同類最佳的融合性能；

?可在應用時智能校準；

?提供集成和微調(diào)技術支持。

圖5：RoboVac的算法說明

?IMU加速度計、陀螺儀和溫度測量數(shù)據(jù)（來自ICM-42688-P）會發(fā)送到RoboVac

?RoboVac的算法：
評估主機應用程序的四元數(shù)以控制機器人運動
校準傳感器誤差（漂移）以保持精準導航
視需要命令機器人停止以重新校準
處理數(shù)據(jù)速率：1000Hz、200Hz和100Hz

?主機將機器人狀態(tài)作為輸入發(fā)送到RoboVac以進行潛在校準

?規(guī)格：≤ 10°/小時

?執(zhí)行概述
初始校準只運行一次
每5~10分鐘暫停一次
校準持續(xù)時間為1~2秒
校準期間會抑制運動

“塵盒已滿”檢測

使用ICP-10101壓力傳感器監(jiān)測塵盒中的氣壓氣流，以此判斷其中的灰塵水平。隨著吸塵量的增加和過濾器被堵塞，氣流會出現(xiàn)停滯，導致塵盒中的氣壓低于空置時的氣壓。為了消除暖通空調(diào)等局部環(huán)境因素的影響，以便更準確地檢測塵盒內(nèi)氣壓，我們建議測量差壓，即同時用類似的壓力傳感器測量外部空氣壓力。

圖 6：塵盒已滿檢測

?使用壓力傳感器監(jiān)測通過塵盒的氣流；

?確定塵盒已滿或過濾器被堵塞；

?可選擇使用第二個壓力傳感器來消除暖通空調(diào)等局部環(huán)境影響，從而改進解決方案。

圖7：評估結果ICP-10101

嵌入式電機控制器

TDK的HVC flex伺服驅(qū)動器系列可用于經(jīng)濟高效地控制高性能緊湊型電機。其中新型HVC4422F擴展了內(nèi)存大小，能滿足OEM診斷要求并能耐受高溫環(huán)境。配備一體式MPU，滿足RTOS要求。HVC控制器搭載32位CPU內(nèi)核 (Arm Cortex-M3)，能高性價比地應對機器人市場及其他市場（工業(yè)、消費品、儀器儀表等）日益增長的挑戰(zhàn)。該產(chǎn)品的靈活外設可提供直接控制有刷、步進（雙極或三相）或無刷 (BLDC) 電機的所有方法。

HVC系列還可選容量為32 KB (HVC4222/4223)或64 KB (HVC4420F/4422) 的閃存程序存儲器，為代碼開發(fā)、生產(chǎn)加速和系統(tǒng)內(nèi)固件更新提供了高度靈活性。

圖8：HVC的功能

適用于小型電機的完全集成的單片機電機控制解決方案MCU+驅(qū)動器

? 可選有傳感器或無傳感器配置，能靈活控制步進、有刷和無刷直流電機；

? 卓越性能，可實現(xiàn)復雜的控制方案；

? 最大限度減少外部組件數(shù)量；

? 支持系統(tǒng)診斷程序；

? 縮短開發(fā)時間；
?易于使用的開發(fā)工具和應用說明
?完整的工作演示
?獲得汽車產(chǎn)品認證的專業(yè)固件包
?易于配置并能在不同應用之間互用

圖9：框圖 - 系統(tǒng)架構

機器人溫度傳感器

TDK的傳感器廣泛用于機器人技術中的溫度監(jiān)測應用，以保證各項功能的正常運行。
TDK可提供廣泛的產(chǎn)品組合，為機器人應用提供高精度溫度檢測支持。

引線式NTC元件
NTC元件采用高可靠性的玻璃封裝，具有響應時間短的徑向引線式和易于處理的剛性軸向引線式可供選擇。 對于選項，還提供用于高絕緣性和防潮性的NTC探頭，以及可簡化安裝過程的引線加工。

鍵合式NTC芯片
鍵合式NTC芯片設計用于半導體設備中，其引線鍵合能為機器人產(chǎn)品的固定電池和電機控制器充電。 這些傳感器直接安裝在智能功率模塊中，用于監(jiān)測功率半導體的結溫。

圖10：NTC熱敏電阻產(chǎn)品概覽

	玻璃封裝	樹脂涂層	貼裝
類型	徑向引線式	軸向引線式	迷你傳感器	新型迷你傳感器	芯片
圖片
型號 （零件編號）	G15*0/G15*1 (B575*0G1*/B575*1G1*)	NTCDS/NTCDA /NTCDE/NTCDZ	S864 (B57864S*)	L862 (開發(fā)中)	S860 (B57860S*)
特點	響應時間超短 尺寸小	易處理的剛性引線	防潮性更好 響應時間短	無引線 溫度容差小 優(yōu)異的長期穩(wěn)定性 良好的抗熱震性	無引線 UL認證(E69802) 金屬化頂部和底部表面（金或銀） 有高耐溫性等級
可選高溫型號	-40 °C 至 300 °C	-40 °C 至 250 °C	-55 °C 至 155 °C	-55 °C 至 155 °C	-40 °C 至 150 °C
引線	Dumet合金線（銅包鎳鐵線） 可選玻璃體和引線涂層以滿足電絕緣 (G15*1) 要求，最高溫度可達260°C。 可選引線間距	鍍鎳CP線，可選鍍Sn。 可選引線彎曲度（NTCDA、NTCDE） 可選絕緣或減少應力的涂層 (NTCDZ)，最高溫度可達160°C。	絕緣鍍銀鎳線，AWG30。	絕緣鍍銀鎳線	無引線 鍵合式NTC芯片
封裝	散裝、條形	折疊式編帶	散裝	散裝、帶裝	編帶裝 （在8英寸框架上）

多層片式NTC
SMD片式NTC非常適合板載溫度檢測和溫度補償應用，可選尺寸范圍為3216到0402，可選導電膠安裝型號。
>>點擊可連接到片式NTC熱敏電阻的選型指南

溫度傳感器組件/系統(tǒng)
旋入式或螺口式傳感器可輕松安裝到專用組件上，是直接或間接通過機器人中的IGBT、電容器、線圈等散熱器監(jiān)測溫度的成熟解決方案?？諝鉁囟葌鞲衅髂芸煽繖z測冷卻空氣溫度并控制冷卻風扇。
除了標準零件編號，我們還能定制NTC特性、引線長度/端子加工等，歡迎聯(lián)系我們。

圖11：NTC傳感器組件/系統(tǒng)產(chǎn)品概覽

	旋入式傳感器	螺口式傳感器	空氣溫度傳感器	封閉型傳感器
型號	K45	M703/M1703	NTCGP(片狀端子)	M500	NTCGP(樹脂灌封)	NTCRP
圖片
特點	NTC熱敏電阻采用旋入式鋁制外殼封裝 絕緣電壓 Vins >2500Vac/1s 旋入式外殼可確保良好的熱耦合（M3 螺紋） 鍍錫銅引線 兼容RoHS指令	NTC熱敏電阻采用帶電纜出口的金屬標簽盒封裝 絕緣電壓 Vins > 2700 Vac/1s（可應要求提供更高選項） 金屬標簽可確保良好的熱耦合 快捷的旋入式安裝 兼容RoHS指令	NTC熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂封裝，帶金屬接線片端子 可使用緊固螺釘固定，能可靠檢測安裝面的溫度 在靜止油中的響應時間≤6秒 無引線 兼容RoHS指令	熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂封裝，并配備聚氯乙烯絕緣線 氣流中的響應時間約為20秒 絕緣電壓 Vins > 1250 Vac/1s 兼容RoHS指令	NTC 熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂封裝 鍍錫平行聚氯乙烯絕緣線 在靜止油中的響應時間≤6秒。 無引線 兼容RoHS指令	NTC熱敏電阻封裝采用玻璃封裝，并配備小型樹脂外殼 能在惡劣工況下可靠運行 工作溫度高達200°C 無引線 兼容RoHS指令
溫度范圍	-10 °C 至 +125 °C	M703: -20°C 至 125°C M1703: -10°C 至 260°C (傳感器頭)	-40 °C 至 +125 °C	-30 °C 至 +100 °C	-55 °C 至 +105 °C	-40 °C 至 +200 °C
標準尺寸

RoboKit開發(fā)套件

作為一種新型開發(fā)套件，TDK RoboKit能無縫集成各種解決方案中，包括TDK專為機器人市場而設計的產(chǎn)品組合。RoboKit集成了主要的TDK產(chǎn)品，如ICM-42688-P 6軸慣性測量單元 (IMU)、ICP-10111電容式氣壓傳感器、ICS-43434多模數(shù)字麥克風、CH101和CH201超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器，以及Micronas 電機控制器、角度傳感器和壓力傳感器。TDK提供的解決方案可滿足機器人市場的嚴格要求，比如可提供導航精度＜10°/小時的InvenSense IMU和RoboVac軟件、Coursa Drive的市場就緒慣性導航系統(tǒng) (INS)、能在任何照明條件下檢測各種顏色障礙物的InvenSense超聲波ToF傳感器，可精準控制機器人關節(jié)的Micronas電機控制器，以及括溫度傳感器和磁力計。TDK RoboKit軟件還與領先的操作系統(tǒng)ROS集成?，F(xiàn)在，面向IMU和超聲波距離傳感器的ROS就緒驅(qū)動程序已經(jīng)上市。

審核編輯：彭菁