Wie Serviceroboter ihre Umgebung verstehen

Mar 20, 2023

Von grundlegender Bedeutung für jedes RVC ist seine Fähigkeit, sich mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu bewegen. Hier ermöglichen die intelligenten eingebetteten Motorcontroller HVC 4222F von TDK die direkte Steuerung verschiedener Schrittmotoren sowie bürstenbehafteter (BDC) und bürstenloser (BLDC) Gleichstrommotoren. Sie treiben die Motoren an, die die Zahnräder drehen, um sicherzustellen, dass die Räder das RVC in die richtige Richtung bewegen. Die hohe Genauigkeit dieser Geräte ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass der Reiniger nicht aus der Spur gerät, unabhängig davon, ob Sie Sensoren verwenden oder nicht; Es ist wichtig zu wissen, dass sich das Rad um 90 Grad und nicht um 88 Grad dreht, um sicherzustellen, dass sich das RVC über einen bestimmten Zeitraum dort befindet, wo es zu sein glaubt.

Ultraschall-Time-of-Flight-Sensoren (ToF) wie der CH101 und der CH201 ermöglichen genaue Entfernungsmessungen zu Zielen in Entfernungen von bis zu 1,2 m bzw. 5 m. Sie senden einen Ultraschallimpuls aus und achten dann auf Echos, die von Objekten im Sichtfeld (FoV) des Sensors reflektiert werden. Die eingebaute Recheneinheit berechnet den ToF und die externe Steuereinheit ermittelt den Abstand zu den Objekten. Im Gegensatz zu optischen Abstandssensoren funktionieren Ultraschallsensoren bei allen Lichtverhältnissen, auch im Dunkeln, liefern millimetergenaue Messungen unabhängig von der Farbe des Ziels und können transparente Objekte wie Glas erkennen. Im Roboterstaubsauger kann der CH201 mit großer Reichweite Tag und Nacht sowohl bewegte als auch stationäre Objekte erkennen und seine Route frühzeitig umleiten, um eine Kollision zu vermeiden. Der Ultraschall-ToF-Sensor CH101 mit kürzerer Reichweite kann in den Roboterstaubsauger integriert werden, um verschiedene Bodentypen zu bestimmen. Dabei unterscheidet sich die Amplitude des reflektierten Signals, je nachdem, ob die Zieloberfläche hart oder weich ist. Wenn sich der Roboterstaubsauger von einem Holzboden auf einen Teppichboden bewegt, kann der Sensor die Motoren anweisen, schneller zu fahren, da sie auf diesem Bodenbelag härter arbeiten müssen. Diese Sensoren können auch erkennen, ob sich der Reiniger am oberen Ende einer Treppe befindet, und so einen Sturz verhindern.

Grundlagen der Ultraschallsensorik

Viele Navigationslösungen für Roboterstaubsauger nutzen Visual Simultaneous Localization and Mapping (VSLAM) oder Lidar-Technologie, um eine virtuelle Karte des Raums zu erstellen, sodass dieser sich effizienter und effektiver bewegen kann. Wenn der Reiniger jedoch aus irgendeinem Grund angehoben und an einem anderen Ort abgelegt wird, weiß er nicht, wo er sich befindet. Es muss sich daher in eine zufällige Richtung bewegen und kann durch das Verfolgen der Wände seinen neuen Standort relativ zur Karte wiederfinden. Inertiale Messeinheiten (IMUs) wie das ICM-42688-P von TDK können helfen, dieses Problem zu lösen. Diese sechsachsigen Bewegungssensoren erfassen die Roll-, Nick- und Gierbewegungen des Roboterstaubsaugers sowohl aus linearer als auch aus rotatorischer Sicht. Anhand dieser Bewegungen und der Raumkartierung kann der Staubsauger seinen genauen Standort bestimmen. Und wenn jemand es aufhebt und woanders ablegt, weiß es, wo es sich im realen Raum befindet. Bei Roboterstaubsaugern, die weder VSLAM noch Lidar-Mapping-Technologie verwenden, können Position und Navigation mithilfe von Koppelnavigation ermittelt werden. Durch die Kombination der Messungen der Raddrehungen mit den Trägheitsmessungen der IMU und der Objekterkennung der ToF-Sensoren kann sich der Reiniger im Raum orientieren.

Bei der Implementierung künstlicher Intelligenz (KI) mit Sprachunterstützung werden Mikrofone, wie das Multimode-Digitalmikrofon ICS-43434, zu einer unverzichtbaren Sensortechnologie. Im Moment ist das Geräusch der Motoren und der sich drehenden Bürsten am Reiniger etwas laut. Wenn sie jedoch leiser werden, können Algorithmen darauf trainiert werden, dieses Geräusch zu ignorieren und gezielt auf die Stimme des Benutzers zu achten. Möglichkeiten wären beispielsweise, den Staubsauger aufzufordern, etwas aufzuräumen, oder ihm mitzuteilen, dass er abschalten soll. Eine alternative Lösung könnte darin bestehen, dass, wenn das Mikrofon erkennt, dass etwas gesprochen wird, die integrierten Motorsteuerungen des Reinigers, wie z. B. der HVC 4420F von TDK, den Motor verlangsamen oder ausschalten können, um auf den Befehl zu hören.

Der Staubgehalt im Staubbehälter wird geschätzt, indem der Luftstrom durch den Staubbehälter mit einem Drucksensor überwacht wird. Luftdrucksensoren wie der TDK ICP-10101 überwachen den Luftdruck im Mülleimer. Ein Abfall des Luftdrucks zeigt an, dass der Staubbehälter voll ist und der Reiniger seinen Reinigungszyklus stoppen und zur Basis zurückkehren kann. Einige der High-End-Basisstationen verfügen über die Möglichkeit, den Inhalt der Staubbox automatisch abzusaugen. Anschließend kann der Reiniger in seine letzte bekannte Position zurückkehren und mit der Reinigung fortfahren. Wenn die Batterie einen beliebigen Ladezustand erreicht, kann das Batteriemanagementsystem eine Anweisung an den Reiniger übermitteln, anzuhalten und zum Aufladen zur Basis zurückzukehren. Wenn der Roboterstaubsauger vollständig aufgeladen ist, kehrt er in seine letzte bekannte Position zurück und setzt die Reinigung fort. Unabhängig von der Raumgröße kann der Reiniger theoretisch im Dauerbetrieb arbeiten.

・Verwenden Sie einen Drucksensor, um den Luftstrom durch den Staubbehälter zu überwachen

・Identifizieren Sie einen vollen Staubbehälter oder einen verstopften Filter

・Der zweite Drucksensor kann optional verwendet werden, um die Lösung zu verbessern, indem lokale Umwelteinflüsse wie HVAC entfernt werden.

Die NTC-Thermistoren von TDK, eine Art Temperatursensor, können zur Überwachung der Betriebstemperatur der MCU oder MPU eingesetzt werden. Sie können auch zur Überwachung der Temperatur der Motoren und Bürstengetriebe eingesetzt werden. Gegenstände, die sich in den Bürsten verfangen, wie z. B. ein Gummiband oder überschüssiges Haar, können dazu führen, dass die Motoren überkompensieren und überhitzen. Wenn sie viel zu heiß laufen, wird der Reiniger angewiesen, eine Pause einzulegen und möglicherweise ein paar Systemdiagnosen durchzuführen, um herauszufinden, was das Problem verursacht.

Die TDK RoboKit1-Entwicklungsplattform vereinfacht die Notwendigkeit für Entwickler, sich an mehrere Anbieter zu wenden, um eine generische Roboterstaubsaugeranwendung zu starten, indem alle oben genannten Produkte auf einer einzigen Leiterplatte integriert werden. Es umfasst außerdem Softwarebibliotheken sowie ROS1- und ROS2-kompatible Treiber, die es Designteams ermöglichen, diese anzupassen und neue Algorithmen zu entwickeln. Um mehr darüber zu erfahren, wie die Sensorlösungen von TDK eine erweiterte Steuerung von Servicerobotern ermöglichen, besuchen Sie bitte den Lösungsleitfaden für Roboterstaubsauger.