低成本飛碟狀機器人吸塵器剖析

　　飛碟狀的Roomba Discovery機器人吸塵器是美國iRobot公司Roomba系列機器人中的高端產(chǎn)品，在任務完成或電力不足時能夠自動返回充電基座充電。該產(chǎn)品附帶一個無線遙控器，可遠在20英尺(約6米)以外控制操作。 　　在清掃方面，這款Discovery機器人主要依賴一個攪拌器桿(beater bar)和毛刷設計以及一圈鞭狀毛刷，可徹底清掃墻邊角落。它采用無紙袋集塵箱來收集所有的垃圾。盡管沒有傳統(tǒng)的高吸力，在我們非常有限的測試運行中，Discovery的集塵工作完成十分出色。 　　在移動性方面，則采用雙輪驅動機制，并另附有一個轉輪。這三個輪子都具有基本的彈簧懸掛裝置(可進行自動高度調節(jié))。這種驅動輪結構提供了移動性，并只需簡單的直流電機即可，但滾輪控制不是單純的開或關這么簡單。在轉輪裝置里有一個用來檢測輪子旋轉速度的截光器(optical chopper)，通過計算發(fā)射器/檢測器光電路中轉輪葉片的中斷來監(jiān)控輪子的速度。這種監(jiān)控還能提供控制轉向(通過使一個轉輪旋轉速度快于另一個來實現(xiàn)轉向)所需要的反饋，從而建立一種內部基本“映射”，反映出房間的哪些區(qū)域已被清潔，還有哪些地方仍需注意。通過這種跟蹤探測，Discovery能夠確保自動吸塵中不會漫無目的地亂走一氣。 　　關鍵技巧所在 　　要讓制作的機器人吸塵器具有實用性，關鍵技巧在于對周圍環(huán)境的了解。當Roomba碰到障礙物或物體邊緣時，由一個邊緣檢測裝置進行“減震”并打開轉輪標記(wheels flag)。更重要的是，該裝置在機體四周使用了四個紅外(IR)發(fā)射器/檢測器探頭，這四個探頭不斷檢測是否有像樓梯這樣的會使Roomba跌落的邊緣，以避免跌落損壞。當裝置立足處是實實在在的地板時，發(fā)射器發(fā)出的紅外信號將反射回檢測器。但若某一發(fā)射器下是一塊空地，將無紅外信號反射回來，表明可能有危險，于是就讓Roomba倒退或停止以保護自己。整個裝置操作簡單、具智能性并價格低廉。 　　此外，“灰塵檢測”功能也是智能性的一種表現(xiàn)。由于地板上總有一些地方特別臟，Roomba會加長對該地方的清潔時間。一旦這種地方得到充分清潔后，該檢測功能會通知Roomba可以繼續(xù)前行了。 　　上面提到的感測解決方案是一種極棒的低端方案。Discovery整合了一對基本壓電麥克風，讓這兩個價廉的壓電盤式揚聲器(和玩具及會說話的賀卡中采用的相同)彼此相反。壓電器件的表面向外進入設備底部的清潔腔，以便于“聆聽”塵屑的聲音，當碰到灰塵和碎屑時，產(chǎn)生小電壓。若這些硬幣大小的塵屑撿拾器及其相關運算放大器在清潔區(qū)域生成一個標記，意味著需要更大的清潔力度。一切歸于寧靜時，Discovery推斷所有塵屑已被收集完畢，然后繼續(xù)前行。

圖：Roomba Discovery機器人吸塵器的內部解剖圖 　　高集成度的控制管理 　　該電子設備令人驚異地把設計中所需的所有傳感器監(jiān)控、電機驅動、算法處理和常規(guī)控制集于一體，通過一個先進的飛思卡爾16位微控制器MC9S12E128CPV來進行控制管理。除了CPU內核外，這一部件還包含128kb的閃存，8kb的RAM，以及大量外設模塊，比如計時器、D/A轉換器、多通道A/D轉換器和若干串行接口。該MCU的內部數(shù)字電源電壓(2.5V)由一個片上穩(wěn)壓器產(chǎn)生。在22.5mm×5cm的控制器板上，除了幾個信號調節(jié)運放組件和用于電機驅動的眾多功率晶體管之外，就只有分立式元件。 　　這款Discovery產(chǎn)品還隨附一個包含了紅外(IR)發(fā)射器的充電基座。該發(fā)射器作為Roomba的信標，讓它可以自動尋找充電基座所在的地方，時間到了就回家充電。Discovery中還有兩個電池供電的可創(chuàng)建虛擬墻的裝置，能夠限制清掃范圍，避免吸塵器進入禁止地帶。 所有這些外設都包含有自己的利用低成本芯片細線組裝的小型電路板裝置。充電基座還包括一個額外的電路，用來解決吸塵器的14.4V NiMH電池模塊的充電控制問題，這個電池模塊為整個系統(tǒng)提供能源，占了Discovery重量的很大比例。 　　Discovery設計的復雜性有很大部分是機電方面的，尤其是傳感器、開關、電機及其相關連線的集成。不客氣地說，連線的復雜性大得可怕。要保證最終產(chǎn)品的成本效益，唯一的辦法是采用低成本勞力進行生產(chǎn)(該設備在中國生產(chǎn))。 　　Roomba Discovery把一種主要算法增值引入到了電機驅動、障礙檢測和除塵功能的基本構架中。價廉的傳感器解決方案，功能多樣化的MCU和低成本勞力的最終組裝，這三者的結合創(chuàng)建出了一種非常實用的低于300美元的家庭機器人。 　　Roomba在互連方面非常復雜。雖然半導體方面的復雜性主要集中在飛思卡爾的多外設控制器上，但大量的傳感器及附加電路板需要插頭連接器以連接回中央電路板，這就意味著需要大量的電纜線束。由于這些電纜中大部分都是用于驅動和吸塵器電機的―而它們都是在主電路板上進行能量驅動的―因而必須解決大電流噪聲管理問題，采用一個Samxon的電解濾波器電容就可以消除噪聲。 　　在灰塵檢測板上，壓電式塵屑拾取器的低電平信號必須保持純凈，故在這里噪聲管理也十分重要。設計中采用了一對比較昂貴的但更有效的AVX鉭電容，以避免對灰塵檢測的不良影響。總而言之，這種強有力的混合信號特性在整個設計中產(chǎn)生了對其它無源器件的大量需求。