角速度传感器在扫地机器人避障上的应用

摘要

在智能家居中，扫地机器人将是必不可少的成员，而扫地机器人则要求更智能化；高效率是要求的一方面，最好能达到自动导航。目前,有多种扫地机器人在市面销售，在效率和效果方面有所欠缺。该文介绍了角速度传感器XV-3510的功能和成功应用，增加扫地机器人的方向感应，可通过软件算法，提高清扫覆盖率，实现行程记录与扫地规划，以及快速回到扫地机器人充电站。

陀螺仪检测原理

角速度传感器也称为陀螺仪，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，此为机械陀螺仪。EPSON采用双T型晶体做为检测角速度的材料，属于电子式的一种，如图1中所示；当芯片做一定角度旋转，内部T型晶体产生形变，压力改变后产生电压，芯片检测到电压改变后做相应输出。

图1.双T型晶体角速度检测原理

图2.扫地机器人产品图

系统组成

扫地机器人设备由主控器MCU、距离传感器、陀螺仪、电源、吸尘器等组成，在清扫机的顶部共设有距离传感器；扫地机器人底部前方边沿安有接近开关，接近开关与距离传感器一起，构成清扫机测距系统；利用距离传感器判断某次单向清扫途中是否有障碍物。

图3.系统组成框图

陀螺仪功能

XV-3510陀螺仪在扫地机器人的功能，主要是判断出机器人的行走方向，配合室内定位系统，行走电机的运行状况，可以准确定位出XOY坐标。在绕过障碍物行走时，记录绕行方向，避免机器人重复行走，免除重复清扫，提高清扫效率。通过软件计算出机器人行走路线，可做行程记录，通过清扫路径覆盖算法，完成扫地规划并且保存起来；运动过程中，可检测机器人水平转动与水平位置，调整机身运行状态。在扫地机器人需要充电的时候，可以通过自身XOY坐标，快速回到充电站；充电完成后，还可以通过行程记录，回到扫地处继续进行清扫，效率大为提高。对于凹型或者死角地形，在清扫过程中做行程记录，可顺利清扫。

坐标计算方法

扫地机器人所用传感器，包括陀螺仪、红外传感器、碰撞检测模块、浮动开关模块、沿边行走检测模块，各功能传感器模块配合工作，能提高产品综合性能。通过陀螺仪方向和电机行走路线，可以计算出移动变量，计算模型如图4所示：

图4.移动增量模型

    在当前时间内，左轮轮子行走的距离为Δr，右轮行走的距离为Δl，两轮的轴间距为d ，则机器人当前时间内行走的距离Δs =  (Δr + Δl)/2，转过的角度（设定初始角度为0°）为Δθ = (Δr − Δl)/d，则当前坐标计算为Δx = Δs * cos(Δθ)，Δy = Δs * sin(Δθ)。

在传感器的选用方面，需要注意以下方面：

(1)精度高，重复性好。机器人传感器的精度直接影响机器人的工作质量。用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人能否准确无误地正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。

(2)稳定性好、可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。

(3)抗干扰能力强。机器人的工作环境是不定和未知的，在运行中可能会有来自外在的干扰存在。

XV-3510产品特点

世强代理的EPSON陀螺仪XV-3510，检测范围±300 deg/s，模拟输出参考电压1430mV，比例因子为3.0 mV/(°/s)，非线性参数为±0.5 % FS，产品特性如下：

. 超小封装尺寸的SMD(5x3.2x1.3mm) 

. 通过采用真空密封实现优异的耐环境特性

. 利用振动晶体的高度稳定性

. 睡眠模式下的剪辑启动时间和低功率消耗

. 应用于DVC与DSC图像稳定性检测，人机接口的运动检测