Датчики робота-пылесоса.
Робот-пылесос оснащён довольно большим набором датчиков, которые необходимы ему для ориентации в пространстве, корректной работы узлов уборки мусора, а также обеспечения безопасности самого устройства.
На примере робота-пылесоса Mi Robot Vacuum-Mop (Mijia 1C Sweeping Vacuum Cleaner) рассмотрим датчики и сенсоры, которые имеются в рядовом роботе-уборщике.
Где находятся датчики у робота-пылесоса?
Поскольку робот-пылесос работает по алгоритму уборки "Зигзаг", то передвигается он только вперёд. Поэтому, большинство датчиков, необходимых для ориентации робота-пылесоса в пространстве находится в передней части его самоходного шасси.
Какие типы датчиков используются в роботах-пылесосах?
В основном используются следующие типы датчиков:
-
Инфракрасные (можно отнести к оптическим). Излучатели и приёмники, работающие в невидимом для человеческого зрения инфракрасном диапазоне длин волн;
-
Ультразвуковые. Ультразвук не воспринимается человеческим слухом, но прекрасно подходит для определения расстояния до преград и их обнаружения;
-
Механические. К механическим датчикам можно отнести датчики касания и опрокидывания. Датчики касания срабатывают при непосредственном столкновении устройства с преградой, а датчик опрокидывания при поднятии робота-пылесоса над поверхностью или при его переворачивании.
Перечисленные типы датчиков служат для ориентирования робота-пылесоса в пространстве. Они необходимы ему для избегания преград и предотвращения столкновения с препятствиями.
Основные датчики робота-пылесоса.
Рассмотрим основные датчики современного робота-уборщика на примере модели Mi Robot Vacuum-Mop:
-
Датчики падения (провала или перепада высоты);
-
Датчики касания (столкновения, удара);
Стоит отметить, что кроме перечисленных датчиков, у робота-пылесоса имеется также гироскоп, акселерометр и электронный компас. Скорее всего все три прибора реализованы в виде одной микросхемы, которая соединена с центральным процессором посредством одного из интерфейсов.
Также в двигателе турбины (электродвигателе воздушного потока) имеется датчик скорости вращения вентилятора. Информация о скорости вращения передаётся по одному из четырёх проводов, которым он соединяется с материнской платой.
Визуальный навигационный датчик.
Визуальный навигационный датчик необходим для построения карты помещения и относится к системе позиционирования робота-пылесоса.
Система позиционирования основана на алгоритмах SLAM (Simultaneous Localization And Mapping).
С их помощью управляющая программа робота-пылесоса создаёт карту помещения, обновляет её в реальном времени, вычисляет оптимальный алгоритм уборки, определяет, где уборка уже произведена и где ещё предстоит убраться. Построенная карта позволяет определить кратчайший путь до зарядной док-станции после завершения работы.
То есть робот-пылесос перемещается по помещению не случайно (рандомно), а с неким пониманием об обстановке, о том где он находится сам.
В качестве визуального датчика, который применяется для навигации робота-пылесоса в помещении, обычно используется оптическая камера или лидар (LDS-датчик, LiDAR). В данном аппарате установлена широкоугольная видеокамера.
С одной стороны, за счёт её компактности удаётся уменьшить высоту робота-пылесоса, но точность определения местоположения в пространстве ниже, чем у аппаратов с лидаром. Кроме всего прочего, при использовании камеры в роли оптического датчика требуется поддерживать в убираемом помещении хороший уровень освещения.
Камера работает в паре с процессором MR133, который кроме всего прочего содержит процессор датчика изображения (ISP, – Image Sensor Processor). Это позволяет управляющему софту использовать изображения (фотографии) и видеопоток для построения карты окружающего пространства.
Об этом упоминалось в материале про материнскую плату робота-пылесоса Mi Robot Vacuum-Mop.
Видеокамера обозревает потолок, но за счёт широкого угла обзора в 166 градусов может запечатлевать и другие объекты.
Например, был скандал с утечкой фотографий, которые сделал подобный робот-пылесос. На фото была фигура человека, сидящего на белом камне.
Как оказалось, фотографии были нужны для обучения нейросетей, чтобы улучшить программное обеспечение робота-пылесоса.
В более дорогих моделях роботов-уборщиков можно встретить так называемую ToF-камеру, которая способна создавать объёмные снимки. Например, такая установлена в Mi Robot Vacuum-Mop 2 Ultra в передней части корпуса. С её помощью робот-пылесос более точно определяет контуры небольших предметов и границы проёмов ниже высоты корпуса, в которых он может застрять.
Для минимизации столкновений со всевозможными препятствиями роботу-пылесосу необходима система ориентирования в пространстве.
Её элементами являются ультразвуковые и инфракрасные датчики. В роботе-пылесосе Mi Robot Vacuum-Mop применяются только инфракрасные датчики.
Датчик движения.
Окно датчика движения расположено в левой передней части корпуса перед мотор-колесом. В своей работе датчик использует инфракрасное излучение.
Как и большинство узлов робота-пылесоса датчик движения выполнен в виде отдельного модуля.
Поскольку детально разобрать данный модуль не удалось, то осмелюсь предположить, что по своему устройству он напоминает оптический датчик рядовой компьютерной мыши.
Судя по всему датчик движения необходим для определения пройденного пути и, возможно, угла поворота. Является частью одометра.
В других моделях роботов-уборщиков датчик пройденного пути обычно встраивают в третье, вспомогательное колесо или ролик. Обычно он реализован в виде энкодера: оптического, резистивного, щёточного или сделан на базе датчика Холла.
Также датчик-энкодер встраивают в мотор-колёса. С его помощью определяется угол поворота колеса.
Датчики падения.
Чтобы предотвратить падение робота-пылесоса, например, при уборке на этаже применяются четыре датчики падения. Ещё их называют датчиками перепада высоты или провала.
Они расположены по периметру нижнего края днища во фронтальной части корпуса.
Каждый датчик падения представляет собой открытую оптопару, состоящую из излучающего ИК-диода и фототранзистора. Их легко разглядеть в прозрачном корпусе модуля.
ИК-диод имеет корпус из прозрачного пластика, а фототранзистор из тёмного, который пропускает лучи инфракрасного диапазона.
При работе робота-пылесоса можно наблюдать за излучением инфракрасных излучающих диодов (ИК-диодов) датчика движения и датчиков падения.
Датчики падения направлены на поверхность пола. Если фототранзистор оптопары перестаёт улавливать отражённый инфракрасный луч, это свидетельствует о том, что далее горизонтальная поверхность обрывается и следует избегать дальнейшего продвижения.
Датчики торможения.
В противоударном буфере (бампере) есть продольное окно из полупрозрачного тёмного пластика. Оно свободно пропускает излучение инфракрасного диапазона.
За ним, по периметру фронтальной части корпуса располагаются инфракрасные датчики – оптопары открытого типа наподобие тех, что используются в датчиках падения. Всего их семь. Дальность действия датчиков составляет 20 сантиметров. С их помощью робот-пылесос обнаруживает впереди стоящие препятствия.
Для предупреждения касания боковыми частями корпуса поверхности стен и других препятствий, дополнительно с боковыми оптопарами используются два ИК-приёмника аналогичных тем, что установлены в датчике парковки. Их можно назвать датчиками стены или края.
Судя по всему, они работают на приём отражённого от стены инфракрасного излучения, которое создаётся ИК-диодами оптопар. При достижении определённого порога "засветки" данного ИК-приёмника, робот-пылесос "понимает", что подъехал к стене слишком близко.
Боковые датчики очень важны, так как при их слабой реализации робот-пылесос перестанет держать безопасное расстояние до стен и будет задевать их боковыми частями корпуса, царапать обои или покрытие.
Стоит отметить, что подобные инфракрасные датчики плохо работают с тёмными поверхностями. Например, тёмная мебель цвета "венге" уже вызывает ложные срабатывания. Робот-пылесос не видит преград.
Проблему можно решить проклейкой по периметру уборки полосы малярного скотча, как раз напротив датчиков торможения (продольного окна в бампере). Но, такой вариант подойдёт не всем.
Ещё решением может быть проклейка полосы из материала, который видится через ИК-камеру, как материал белого цвета. Таким свойством обладает, например, полиэстер. Проверить материал можно любой видеокамерой с функцией ночной съёмки. На экране он должен отображаться в белом цвете.
Датчик касания (столкновения, удара).
Датчики торможения рассчитаны на обнаружение сплошных препятствий вроде стен, но вот ножки стульев и подобные преграды они распознать не могут. На этот случай у робота-пылесоса имеется противоударный буфер (бампер).
Противоударный буфер – это подпружиненная полукруглая пластина из пластика в передней части корпуса. За пластиковой основой буфера с правой и левой стороны имеется по датчику касания.
Бампер имеет небольшой ход и при столкновении с препятствием давит на упор правого, левого или же обоих датчиков касания. Так робот-пылесос понимает, где находится преграда: справа, слева или по центру.
Датчики касания могут выполнятся в виде концевых выключателей или же в виде оптопары с подвижным флажком, который установлен между излучателем и приёмником излучения.
У флажка имеется упор, на который давит противоударный буфер в случае столкновения с препятствием. При этом флажок закрывает поток излучения от излучателя к фотоприёмнику, и по этому сигналу управляющая плата определяет, что произошло столкновение с преградой.
Датчик опрокидывания.
Датчик опрокидывания установлен в двух мотор-колёсах робота-пылесоса и выполнен в виде микропереключателя с лапкой.
Микропереключатель серии G10 (1A125VAC/0,5A250VAC). Производитель: GANGYUAN. Такие микропереключатели, но только без лапки широко применяются в компьютерных мышках.
Микропереключатель имеет три вывода и контактную группу на переключение, но в работе он используется как обычная кнопка без фиксации.
На следующем фото показан датчик опрокидывания левого мотор-колеса.
Если робот-пылесос опрокидывается, переворачивается или его поднимают вверх, то колесо отпружинивает, упор давит на лапку микропереключателя и его контакты замыкаются.
При установке робота-пылесоса на пол, под тяжестью корпуса колёса заходят внутрь модуля и контакты кнопки размыкаются. Так система управления понимает, что робот-пылесос корректно установлен на ровную горизонтальную поверхность.
Датчик парковки.
Робот-пылесос нуждается в постоянной подзарядке своей аккумуляторной батареи. При снижении заряда до определённого уровня робот-пылесос самостоятельно возвращается на базу – зарядную док-станцию (Charging dock). Но, как робот-пылесос находит базу?
Обнаружить док-станцию и корректно запарковаться на неё помогает специальный датчик парковки.
Датчик парковки расположен в центре передней части робота-пылесоса прямо над датчиками торможения и пружиной противоударного буфера.
Собой он представляет модуль в виде рупора. Корпус имеет две части (правую и левую) разделённые сплошной перегородкой. Маркировка модуля: P1904_1C_RECEIVE_BD_V3.0.
В глубине каждой половинки установлен приёмник инфракрасного излучения (ИК-приёмник).
В конструкции модуля предположительно применены ИК-приёмники TSSP4038, так как в маркировке на их корпусах присутствует число 4038.
Зарядная док-станция оснащена инфракрасными диодами (излучателями), которые формируют два параллельных ИК-луча впереди базы. При поиске док-станции робот-пылесос медленно поворачивается вокруг своей оси словно оглядываясь. Так он ищет два инфракрасных луча излучаемых базой своим датчиком парковки. После того, как он их обнаружит, робот-пылесос движется на базу ориентируясь по ним словно по указателям.
Устройство базы рассмотрено здесь: «Зарядная док-станция для робота-пылесоса Mi Robot Vacuum-Mop. Что внутри?».
Датчики наличия основных устройств.
В роботе-пылесосе имеется два датчика Холла, с помощью которых управляющая плата проверяет корректную установку контейнера-пылесборника и модуля влажной уборки.
Датчик присутствия контейнера.
Датчик установки пылесборника установлен за динамиком рядом с раструбом.
На небольшую печатную плату с маркировкой HALL_BD_V2 (Dreame) запаян интегральный датчик Холла – микросхема A1321 в корпусе 3-Pin SIP для монтажа в отверстия.
Микросхема A1321 – это линейный датчик Холла. Он реагирует на изменение магнитного поля.
Чувствительной стороной (зауженная часть корпуса) датчик упирается в перегородку из пластика.
На контейнере пылесборника установлен фильтр. На одной из боковых сторон фильтра закреплён миниатюрный прямоугольный магнит.
Когда пылесборник штатно установлен в корпусе робота-пылесоса, датчик Холла находится напротив постоянного магнита, за тонкой пластиковой перегородкой. Под воздействием магнитного поля датчик Холла срабатывает, подавая сигнал на управляющую плату.
Датчик установки модуля влажной уборки.
Аналогичный бесконтактный датчик установлен сбоку от выходного фильтра турбины. Расположен он вплотную к пружинящему контакту, к которому подключается модуль влажной уборки (модуль полотёра).
Датчик Холла чувствительной стороной направлен вниз. При установке модуля для влажной уборки (резервуара с водой и губкой) датчик срабатывает, так как в модуле как раз напротив датчика установлен миниатюрный круглый магнит.
Бывают случаи, что робот-пылесос "не видит" контейнер для пыли, хотя тот корректно установлен в корпус.
Не спешите разбирать электронного помощника или сдавать его в ремонт. Первым делом найдите на боковой стороне HEPA-фильтра магнит. Проверьте, не болтается ли он и корректно ли установлен. Даже небольшое изменение его положения может служит причиной отсутствия срабатывания датчика Холла.
Также случается, что робот-уборщик не распознаёт установленный модуль влажной уборки. В держателе губки установлен круглый магнит, который может выпасть или заржаветь от попавшей воды. Его можно заменить аналогичным, иногда требуется повернуть определённой стороной, чтобы датчик внутри робота-пылесоса стал корректно срабатывать.
Под итог и без того длинного рассказа хотелось бы сказать, что набор датчиков современного робота-пылесоса не ограничивается перечисленными здесь. Их расположение, количество, принцип их работы зависит от класса устройства. Роботизированная техника для дома постоянно совершенствуется и в ней могут применяться более хитроумные датчики и сенсоры.
Главная » Мастерская » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать: