低成本飞碟状机器人吸尘器剖析

飞碟状的Roomba Discovery机器人吸尘器是美国iRobot公司Roomba系列机器人中的高端产品,在任务完成或电力不足时能够自动返回充电基座充电。该产品附带一个无线遥控器,可远在20英尺(约6米)以外控制操作。

在清扫方面,这款Discovery机器人主要依赖一个搅拌器杆(beater bar)和毛刷设计以及一圈鞭状毛刷,可彻底清扫墙边角落。它采用无纸袋集尘箱来收集所有的垃圾。尽管没有传统的高吸力,在我们非常有限的测试运行中,Discovery的集尘工作完成十分出色。

在移动性方面,则采用双轮驱动机制,并另附有一个转轮。这三个轮子都具有基本的弹簧悬挂装置(可进行自动高度调节)。这种驱动轮结构提供了移动性,并只需简单的直流电机即可,但滚轮控制不是单纯的开或关这么简单。在转轮装置里有一个用来检测轮子旋转速度的截光器(optical chopper),通过计算发射器/检测器光电路中转轮叶片的中断来监控轮子的速度。这种监控还能提供控制转向(通过使一个转轮旋转速度快于另一个来实现转向)所需要的反馈,从而建立一种内部基本“映射”,反映出房间的哪些区域已被清洁,还有哪些地方仍需注意。通过这种跟踪探测,Discovery能够确保自动吸尘中不会漫无目的地乱走一气。

关键技巧所在

要让制作的机器人吸尘器具有实用性,关键技巧在于对周围环境的了解。当Roomba碰到障碍物或物体边缘时,由一个边缘检测装置进行“减震”并打开转轮标记(wheels flag)。更重要的是,该装置在机体四周使用了四个红外(IR)发射器/检测器探头,这四个探头不断检测是否有像楼梯这样的会使Roomba跌落的边缘,以避免跌落损坏。当装置立足处是实实在在的地板时,发射器发出的红外信号将反射回检测器。但若某一发射器下是一块空地,将无红外信号反射回来,表明可能有危险,于是就让Roomba倒退或停止以保护自己。整个装置操作简单、具智能性并价格低廉。

此外,“灰尘检测”功能也是智能性的一种表现。由于地板上总有一些地方特别脏,Roomba会加长对该地方的清洁时间。一旦这种地方得到充分清洁后,该检测功能会通知Roomba可以继续前行了。

上面提到的感测解决方案是一种极棒的低端方案。Discovery整合了一对基本压电麦克风,让这两个价廉的压电盘式扬声器(和玩具及会说话的贺卡中采用的相同)彼此相反。压电器件的表面向外进入设备底部的清洁腔,以便于“聆听”尘屑的声音,当碰到灰尘和碎屑时,产生小电压。若这些硬币大小的尘屑捡拾器及其相关运算放大器在清洁区域生成一个标记,意味着需要更大的清洁力度。一切归于宁静时,Discovery推断所有尘屑已被收集完毕,然后继续前行。

图:Roomba Discovery机器人吸尘器的内部解剖图

高集成度的控制管理

该电子设备令人惊异地把设计中所需的所有传感器监控、电机驱动、算法处理和常规控制集于一体,通过一个先进的飞思卡尔16位微控制器MC9S12E128CPV来进行控制管理。除了CPU内核外,这一部件还包含128kb的闪存,8kb的RAM,以及大量外设模块,比如计时器、D/A转换器、多通道A/D转换器和若干串行接口。该MCU的内部数字电源电压(2.5V)由一个片上稳压器产生。在22.5mm×5cm的控制器板上,除了几个信号调节运放组件和用于电机驱动的众多功率晶体管之外,就只有分立式元件。

这款Discovery产品还随附一个包含了红外(IR)发射器的充电基座。该发射器作为Roomba的信标,让它可以自动寻找充电基座所在的地方,时间到了就回家充电。Discovery中还有两个电池供电的可创建虚拟墙的装置,能够限制清扫范围,避免吸尘器进入禁止地带。

所有这些外设都包含有自己的利用低成本芯片细线组装的小型电路板装置。充电基座还包括一个额外的电路,用来解决吸尘器的14.4V NiMH电池模块的充电控制问题,这个电池模块为整个系统提供能源,占了Discovery重量的很大比例。

Discovery设计的复杂性有很大部分是机电方面的,尤其是传感器、开关、电机及其相关连线的集成。不客气地说,连线的复杂性大得可怕。要保证最终产品的成本效益,唯一的办法是采用低成本劳力进行生产(该设备在中国生产)。

Roomba Discovery把一种主要算法增值引入到了电机驱动、障碍检测和除尘功能的基本构架中。价廉的传感器解决方案,功能多样化的MCU和低成本劳力的最终组装,这三者的结合创建出了一种非常实用的低于300美元的家庭机器人。

Roomba在互连方面非常复杂。虽然半导体方面的复杂性主要集中在飞思卡尔的多外设控制器上,但大量的传感器及附加电路板需要插头连接器以连接回中央电路板,这就意味着需要大量的电缆线束。由于这些电缆中大部分都是用于驱动和吸尘器电机的?D而它们都是在主电路板上进行能量驱动的?D因而必须解决大电流噪声管理问题,采用一个Samxon的电解滤波器电容就可以消除噪声。

在灰尘检测板上,压电式尘屑拾取器的低电平信号必须保持纯净,故在这里噪声管理也十分重要。设计中采用了一对比较昂贵的但更有效的AVX钽电容,以避免对灰尘检测的不良影响。总而言之,这种强有力的混合信号特性在整个设计中产生了对其它无源器件的大量需求。

作者:David Carey

总裁

Portelligent公司

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