低成本飛碟狀機(jī)器人吸塵器剖析

　　飛碟狀的Roomba Discovery機(jī)器人吸塵器是美國iRobot公司Roomba系列機(jī)器人中的高端產(chǎn)品，在任務(wù)完成或電力不足時(shí)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(yuǎn)在20英尺(約6米)以外控制操作。 　　在清掃方面，這款Discovery機(jī)器人主要依賴一個攪拌器桿(beater bar)和毛刷設(shè)計(jì)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(yùn)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(qū)動機(jī)制，并另附有一個轉(zhuǎn)輪。這三個輪子都具有基本的彈簧懸掛裝置(可進(jìn)行自動高度調(diào)節(jié))。這種驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)提供了移動性，并只需簡單的直流電機(jī)即可，但滾輪控制不是單純的開或關(guān)這么簡單。在轉(zhuǎn)輪裝置里有一個用來檢測輪子旋轉(zhuǎn)速度的截光器(optical chopper)，通過計(jì)算發(fā)射器/檢測器光電路中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向(通過使一個轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)速度快于另一個來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向)所需要的反饋，從而建立一種內(nèi)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(guān)鍵技巧所在 　　要讓制作的機(jī)器人吸塵器具有實(shí)用性，關(guān)鍵技巧在于對周圍環(huán)境的了解。當(dāng)Roomba碰到障礙物或物體邊緣時(shí)，由一個邊緣檢測裝置進(jìn)行“減震”并打開轉(zhuǎn)輪標(biāo)記(wheels flag)。更重要的是，該裝置在機(jī)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(dāng)裝置立足處是實(shí)實(shí)在在的地板時(shí)，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(xiǎn)，于是就讓Roomba倒退或停止以保護(hù)自己。整個裝置操作簡單、具智能性并價(jià)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(shí)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(fēng)，讓這兩個價(jià)廉的壓電盤式揚(yáng)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(jìn)入設(shè)備底部的清潔腔，以便于“聆聽”塵屑的聲音，當(dāng)碰到灰塵和碎屑時(shí)，產(chǎn)生小電壓。若這些硬幣大小的塵屑撿拾器及其相關(guān)運(yùn)算放大器在清潔區(qū)域生成一個標(biāo)記，意味著需要更大的清潔力度。一切歸于寧靜時(shí)，Discovery推斷所有塵屑已被收集完畢，然后繼續(xù)前行。

圖：Roomba Discovery機(jī)器人吸塵器的內(nèi)部解剖圖 　　高集成度的控制管理 　　該電子設(shè)備令人驚異地把設(shè)計(jì)中所需的所有傳感器監(jiān)控、電機(jī)驅(qū)動、算法處理和常規(guī)控制集于一體，通過一個先進(jìn)的飛思卡爾16位微控制器MC9S12E128CPV來進(jìn)行控制管理。除了CPU內(nèi)核外，這一部件還包含128kb的閃存，8kb的RAM，以及大量外設(shè)模塊，比如計(jì)時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器、多通道A/D轉(zhuǎn)換器和若干串行接口。該MCU的內(nèi)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(diào)節(jié)運(yùn)放組件和用于電機(jī)驅(qū)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(biāo)，讓它可以自動尋找充電基座所在的地方，時(shí)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(jìn)入禁止地帶。 所有這些外設(shè)都包含有自己的利用低成本芯片細(xì)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性有很大部分是機(jī)電方面的，尤其是傳感器、開關(guān)、電機(jī)及其相關(guān)連線的集成。不客氣地說，連線的復(fù)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(jìn)行生產(chǎn)(該設(shè)備在中國生產(chǎn))。 　　Roomba Discovery把一種主要算法增值引入到了電機(jī)驅(qū)動、障礙檢測和除塵功能的基本構(gòu)架中。價(jià)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(jié)合創(chuàng)建出了一種非常實(shí)用的低于300美元的家庭機(jī)器人。 　　Roomba在互連方面非常復(fù)雜。雖然半導(dǎo)體方面的復(fù)雜性主要集中在飛思卡爾的多外設(shè)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(qū)動和吸塵器電機(jī)的―而它們都是在主電路板上進(jìn)行能量驅(qū)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(shè)計(jì)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?？偠灾?，這種強(qiáng)有力的混合信號特性在整個設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了對其它無源器件的大量需求。