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家庭服務(wù)機(jī)器人紅外避障傳感器安裝位置分析
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2017/1/13


  服務(wù)機(jī)器人在家庭住宅、酒店客房、辦公空間、會所等室內(nèi)空間使用時,都要用到避障傳感器,通常采用紅外、超聲波、激光雷達(dá)、雙目視覺四種傳感器中的一種或多種進(jìn)行避障操作,本文將主要分析紅外避障傳感器的安裝位置。  


  紅外避障傳感器基本原理:利用物體的反射性質(zhì)。在一定范圍內(nèi),如果沒有障礙物,發(fā)射出去的紅外線,因為傳播距離越遠(yuǎn)而逐漸減弱,最后消失。如果有障礙物,紅外線遇到障礙物,被反射到達(dá)傳感器接收頭。傳感器檢測到這一信號,就可以確認(rèn)正前方有障礙物,并送給單片機(jī),單片機(jī)進(jìn)行一系列的處理分析,協(xié)調(diào)服務(wù)機(jī)器人的兩輪工作,完成躲避障礙物動作。


    紅外避障傳感器是專為輪式機(jī)器人設(shè)計的一款距離可調(diào)式避障傳感器。其具有一對紅外線發(fā)射與接收管,發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線,當(dāng)檢測方向遇到障礙物(反射面)時,紅外線反射回來被接收管接收,此時指示燈亮起,經(jīng)過電路處理后,信號輸出接口輸出數(shù)字信號,可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離,有效距離2~40cm,工作電壓為3.3V-5V,由于工作電壓范圍寬泛,在電源電壓波動比較大的情況下仍能穩(wěn)定工作,適合多種單片機(jī)、Arduino控制器、樹莓派使用,安裝到機(jī)器人上即可感測周圍環(huán)境的變化。

 

  一種典型的紅外壁障傳感器


  紅外避障傳感器工作原理:紅色線接5V,黃色接信號,綠色GND 接電源負(fù)極或單片機(jī)上的邏輯地。前方無障礙輸出高電平,有障礙輸出口(黃色)電平會從高電平變成低電平(0)。背面圖有一個電位器可以調(diào)節(jié)障礙的檢測距離。在電路設(shè)計中可以再輸出端黃線加上拉電阻10K到5V,再接入單片機(jī)檢測,會比較穩(wěn)定,單片機(jī)檢測可以采用外部硬件中斷INT0 INT1等來實現(xiàn)。


  當(dāng)前在服務(wù)機(jī)器人本體上安裝的紅外避障傳感器通過按照高中低三組進(jìn)行安裝,如最常見的安裝高度為低位80mm,中位480mm,高位780mm。這一安裝高度的設(shè)定并沒有充分的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù),在實際應(yīng)用中出現(xiàn)了許多情況紅外避障傳感器因為安裝太高、太低或密度不夠?qū)е聼o法探知到附近障礙物,從而影響服務(wù)機(jī)器人的行動并對可能會環(huán)境和人造成破壞,這都是紅外避障傳感器安裝方法不恰當(dāng)造成的,急需根據(jù)環(huán)境特色尤其障礙物特點研究更合適的紅外避障傳感器的部署方案。


  廣州零號軟件科技有限公司(機(jī)器人零號)在健康養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)過程中,進(jìn)行了大量的實景測量和場景模擬,基本總結(jié)出住宅等室內(nèi)空間內(nèi)服務(wù)機(jī)器人所需的紅外傳感器安裝高度,這些經(jīng)驗也用在哈士奇健康服務(wù)機(jī)器人本體上。


  我們在研發(fā)中,依據(jù)家具設(shè)計相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,整理和總結(jié)常見的家具的高度,尤其分析家具凸出物如桌邊、椅面和靠背、茶幾邊、沙發(fā)扶手和靠背、床邊,因為這些在垂直面上超出底部和凸出部位是最容易給服務(wù)機(jī)器人移動帶來障礙的。以下是

有關(guān)家具的高度的尺寸說明:


  1、桌類家具高度尺寸標(biāo)準(zhǔn)可以有700mm、720mm、740mm、760mm四個規(guī)格;

  2、 椅凳類家具的座面高度可以有400mm、420mm、440mm三個規(guī)格。

  3、 床沿一般來說床沿高度以45厘米為宜;褥面距地面高度來測算,標(biāo)準(zhǔn)是46~50厘米;

  4、 沙發(fā)的一般座高:350-420mm;扶手高560-600mm;單人式背高:700-900mm。

  5、茶幾:高度為350-500mm。


  在室內(nèi)的其它家具,包括柜子、箱子、書架等都在垂直面上基本保持一致沒有明顯的凸出部位,所以服務(wù)機(jī)器人紅外傳感器在任何高度測量到的距離都是一致的,只要任何高度的一個紅外傳感器獲得數(shù)據(jù)就可以代表感知到這一障礙物,所以,這類具有平整立面的家具不用考慮紅外避障傳感器的新的安裝方法。


  家電,尤其是可能出現(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人移動路徑附件的一些家電,如冰箱、洗衣機(jī)、飲水機(jī)等,也具有平整的立面,所以也不用考慮慮紅外避障傳感器的新的安裝方法。


  由于家具的桌面板材厚度有16mm、18mm、25mm等三個主要尺寸,茶幾的鋼化玻璃的厚度為10mm以上,通常12mm。因此,我是從家具表面(家具高度最高點)向下10mm范圍是可以觸碰到家具的凸出面的,這也就可以成為服務(wù)機(jī)器人紅外避障傳感器安裝高度的重要依據(jù)。

  

  為了獲得最佳的避障效果,我們一共采用24個紅外避障傳感器,其中正面安裝12個,兩個側(cè)面每個側(cè)面安裝3個共計6個,后面安裝6個。


  低位的紅外避障傳感器在80mm高度分布安裝,其中正面部署2個,兩個側(cè)面每個側(cè)面1個,背面2個。


  中位的紅外避障傳感器在五個不同高度分布安裝,分別是340mm、390mm、420mm、430mm、490mm。其中正面要求有五個紅外避障傳感器在五個高度全部部署安裝,側(cè)面安裝一個紅外避障傳感器,高度為420mm;背面安裝三個紅外避障傳感器,高度分別為340mm、390mm、420mm。


  高位的紅外避障傳感器在四個不同高度分布安裝,分別是690mm、720mm、730mm、750mm。其中正面要求有四個紅外避障傳感器在四個高度全部部署安裝,側(cè)面安裝一個紅外避障傳感器,高度為720mm;背面安裝兩個紅外避障傳感器,高度分別為690mm、730mm。


  在本案例中,紅外避障傳感器采用NPN型光電開關(guān);輸出狀態(tài)是0、1,即數(shù)字電路中的高電平和低電平,檢測到目標(biāo)是低電平輸出,正常狀態(tài)是高電平輸出,輸出外加一個1K左右的上拉電阻即可連接到單片機(jī)IO口上。由于設(shè)計了24個紅外避障傳感器,因此,對應(yīng)需要單片機(jī)IO數(shù)量為24個。


  這種安裝位置與安裝方法,相對于現(xiàn)有的紅外避障感器的安裝方法進(jìn)行了重要改進(jìn):針對家具凸出物高度進(jìn)行的安裝位置優(yōu)化,采用了低中高三個安裝區(qū)域共24組紅外避障傳感器,分布安裝在服務(wù)機(jī)器人的前面、兩側(cè)和后面。讓紅外避障傳感器總能掃描到家具凸出面,從而讓服務(wù)機(jī)器人能夠進(jìn)行有效避讓各類家具,適用于家庭服務(wù)機(jī)器人、商用服務(wù)機(jī)器人、送餐機(jī)器人等各類服務(wù)機(jī)器人。


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