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引言

掃地機器人越來越多地用于家庭、辦公室和酒店的清潔工作。掃地機器人的優勢之一是，使用戶做很少的工作即可完成清潔，從而騰出更多時間執行其他任務。為了讓掃地機器人智能地執行清潔任務，我們使用了各種傳感器來感測掃地機器人的外部環境（用于清潔導航）及其內部狀態。使用傳感器的機器人提供的部分功能包括：電機換向、滾輪增量編碼、碰撞檢測、避障、懸崖探測、液位檢測、集塵箱放置檢測、水箱放置檢測和落輪檢測。

電機換向和滾輪增量編碼

掃地機器人具有多個滾輪，這些輪子必須轉動，才能使機器人移動。每個滾輪模塊通常都有自己的電機，讓每個滾輪獨立移動。齒輪箱可用于優化電機中的扭矩，從而實現出色的性能、電池壽命和牽引力。

掃地機器人的滾輪通常使用兩種類型的電機：有刷電機和無刷直流 (BLDC) 電機。無刷直流電機可能要求每個滾輪有三個霍爾效應鎖存器，以便為該滾輪的電機換向。但是，有刷電機不需要霍爾傳感器進行電機換向。

除了旋轉滾輪之外，掃地機器人還需要一種機制來指示滾輪的移動速度和方向，這種機制稱為增量編碼。用于 BLDC 電機換向的霍爾效應鎖存器也可重復用于增量編碼。

盡管有刷電機不需要霍爾效應鎖存器來進行電機換向，但真空電機中的有刷電機通常使用霍爾效應鎖存器來實現滾輪增量編碼。紅外 (IR) 編碼器也是有刷電機中進行滾輪轉速檢測的另一種選擇；但是，由于這些光學編碼器的性能受灰塵影響，因此不是滾輪增量編碼的理想選擇。雖然紅外編碼器可以通過密封來減少灰塵，但密封傳感器并不總是能完全防止紅外編碼器暴露于這些污染物，尤其是因為掃地機器人通常會暴露于污垢和灰塵中。

圖 1-1 顯示了一個滾輪編碼的實現示例。在此實現方案中，電機上放置了一個磁盤，磁盤與電機一起旋轉。磁盤有多組北極和南極。磁盤下方有兩個霍爾效應鎖存器，每當它們檢測出南極到北極或北極到南極之間的轉換時，便會更改其輸出。觀察兩個霍爾鎖存器相互改變輸出的順序可以確定滾輪轉動的方向。轉換頻率和磁盤上的極數決定了電機的速度。在不需要檢測方向的系統中，只需一個霍爾鎖存器即可確定電機速度。通過電機和滾輪之間的傳動比，可將電機速度換算為滾輪速度。

圖 1-1 滾輪增量編碼的實現示例

避障和懸崖探測

掃地機器人必須使用一種機制來避開用戶不希望掃地機器人接近的障礙物或區域。通常使用磁體方案來避障。在磁體方案中，用戶在不希望掃地機器人接近的區域或障礙物周圍應用磁條，如圖 1-2 所示。在圖 1-2 中，磁條放置在冰箱周圍。具有霍爾效應傳感器的掃地機器人會感應到磁條的磁通量密度，從而不會接近該區域。當系統只需要知道它是否靠近障礙物時，霍爾效應開關可用做霍爾效應傳感器，而線性霍爾效應傳感器可用于獲取磁條實際位置的更多信息。

圖 1-2 在障礙物周圍添加磁條以實現避障

還可以使用超聲波傳感器來實現避障，超聲波傳感器使用超聲波飛行時間原理來計算與附近物體的距離，從而避開這些物體。但是，這種方法的有效性取決于所檢測物體的材料，而通過磁體方案避障不受物體材料的影響。超聲波傳感器還可用于確定地板材料，以便機器人知道如何根據地板材料適當清潔地板表面。激光雷達通常還用于繪制真空區域圖。

懸崖探測可確定機器人何時接近懸崖，例如樓梯的頂層，從而防止機器人從樓梯滾落。為了避免懸崖，可以在懸崖前面放置一個磁條，以免掃地機器人接近它。也可以使用 IR 傳感器實現懸崖探測，但當直接暴露在臟污環境中時，此實現方案會出現問題。超聲波傳感器還可用于懸崖探測，方法是感應傳感器到地面的距離增加；但是，懸崖探測的結果取決于懸崖本身材料。

碰撞檢測

掃地機器人還必須檢測何時碰撞到某個物體，以便能夠調整導航。為了檢測機器人前半部分是否會與周圍碰撞，需要使用多個傳感器來覆蓋整個潛在碰撞點范圍內的檢測。

可使用多對紅外接收器和發送器實現碰撞檢測。基于紅外的實現方案有若干缺點，包括需要許多對紅外發送器和接收器，并且需要一個無干擾環境來實現理想傳感，后一項要求很難滿足，即使紅外發送器和接收器做到了防塵也不行。

更理想的碰撞檢測實現方案是使用霍爾器件，此方法不需要紅外碰撞檢測要求的無干擾環境。在磁式碰撞檢測中，磁體可以放置在保險杠的內部，檢測這些磁體的線性霍爾效應傳感器可以放置在機器人內部更深的位置（如圖 1-3 所示）。每當保險杠碰撞到某個物體時，它會使保險杠區域向內收縮，從而導致相應的磁體更靠近各自的霍爾傳感器。霍爾傳感器將感應接近傳感器的磁體的磁通密度變化，并相應地更改其輸出，從而提醒機器人它撞到物體。保險杠具有彈簧，可在碰撞后傳感器-磁體距離恢復正常時返回其原始位置。除了能夠在臟污的環境中工作外，這種基于霍爾器件的碰撞檢測的另一個優勢是，需要的傳感器與紅外碰撞檢測方案少。

圖 1-3 磁式碰撞檢測的實現示例

液位檢測

一些掃地機器人也能夠拖地。這些機器人有一個水箱，可存儲用于拖地的清潔液。傳感器可用于確定水箱內清潔液的液位，以便在需要將新液體進入機器人時提醒用戶。圖 1-4 顯示了使用霍爾效應傳感器的液位檢測實現方案。在此實現方案中，一側的樞軸上連接了一個桿，另一側連接一個浮子。有一個徑向磁體和一個線性 3D 霍爾傳感器或兩個 1D 霍爾傳感器連接到桿上。浮子根據水位改變其垂直位置，這也會導致磁體的放置角度。線性霍爾傳感器可感應磁體的角度放置，并將此信息提供給掃地機器人中的微控制器，以轉換為相應的水位。德州儀器 (TI) 還具有可用于液位檢測的其他傳感技術，例如電容式感應或超聲波傳感計量。

圖 1-4 基于霍爾器件的液位檢測

集塵箱和水箱放置檢測

與吸塵器類似，掃地機器人具有可拆卸的集塵箱容器，用于存儲真空收集的灰塵和其他碎屑。掃地機器人應檢查集塵箱是否已安裝到位，以確保真空除塵的灰塵有適當的放置位置。可以使用霍爾效應開關將磁體放置在可拆卸的集塵箱容器上，并將霍爾效應開關放置在機器人附近，從而放置集塵箱。當集塵箱正確放置在機器人內時，磁體將靠近霍爾開關，從而使其輸出保持低電平。卸下集塵箱后，集塵箱上的磁體不再靠近機器人內的集塵箱傳感器，這會導致霍爾開關的輸出被置為高電平，從而告訴掃地機器人內部無集塵箱。類似的實現方案也可用于檢測拖地機器人中是否正確安裝了水箱容器。

輪落檢測

掃地機器人需要了解何時離地，以便能夠停止轉動滾輪。為了檢測掃地機器人何時離地，滾輪模塊使用了一個內部彈簧，當滾輪在地面上時，彈簧會被壓縮。內部壓縮也會導致開關被按下。當掃地機器人離地時，彈簧會松開，這會導致滾輪掉落并松開開關。如果開關松開，它會通知掃地機器人已離地。可通過微型開關或使用霍爾效應傳感器和磁體來實現輪落檢測開關。在基于霍爾器件的方法中，磁體可以放置在開關內，而霍爾開關可以放置在附近。如果按下開關，則會使磁體更靠近傳感器，從而使傳感器將其輸出置為低電平。當由于裝置離地而松開開關時，磁體將遠離開關，這將導致其輸出置為高電平，機器人將知道它已離地。