设计扫地机器人传感器实训

传感器与检测技术

电子与信息工程学院

姓名：李*

班级：电信**-*

学号：12********

扫地机器人

扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。

扫地机器的机身为无线机器，以圆盘型为主。使用充电电池运作，操作方式以遥控器、或是机器上的操作面板。一般能设定时间预约打扫，自行充电。前方有设置感应器，可侦测障碍物，如碰到墙壁或其他障碍物，会自行转弯，并依每间不同厂商设定，而走不同的路线，有规划清扫地区。因为其简单操作的功能及便利性，现今已慢慢普及，成为上班族或是现代家庭的常用家电用品。

扫地机器人的机身为自动化技术的可移动装置，与有集尘盒的真空吸尘装置，配合机身设定控制路径，在室内反复行走，如:沿边清扫、集中清扫、随机清扫、直线清扫等路径打扫，并辅以边刷、中央主刷旋转、抹布等方式，加强打扫效果，以完成拟人化居家清洁效果。

扫地机器人的结构大致分为：本体、充电电池、充电座、集尘盒、遥控器。一应用传感器类型

1.1 红外线传感器

红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度)，都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化(这种变化可能是变大也可能是变小，因为热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻)，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

1.2 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。基于超声波特性研制的传感器称为“超声波传感器”，广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

1.3 电容传感器

电容传感器是将被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。

电容式传感器的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器若。忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化（见电容式压力传感器）。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

1.4 陀螺仪

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于垂直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

二传感器完成的工作

2.1 红外线传感器

红外距离感应是利用红外线传感器来测量距离的技术，利用红外线传感器来检测距离，红外线传感器安装在扫地机器人的周围，通过向外发射红外线，红外线碰到墙面反射回来，传感器把采集的信号送给处理器来处理，处理器计算出距离，告诉扫地机器人距离障墙面多远，扫地机器人采取措施清扫道路。

图2-1 红外线传感器安装位置

2.2 超声波传感器

超声波是一种一定频率范围的声波。利用超声波躲避近距离的障碍物。超声波具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。

超声波传感器接收到反射信号，检测出前方有障碍物时，向控制器发出信号，控制器控制扫地机器人转向，躲避障碍物，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。选用超声波测距传感器，实现非接触式测量，避免与家具等物品发生碰撞，从而避免损坏相应物品。

2.3 电容式传感器

为了监视扫地机器人灰尘盒中灰尘是否装满，在灰尘盒两侧安装变介质型电容传感器。

当灰尘盒中灰尘高度到达电容传感器高度时，电容传感器中的介质发生改变，由于灰尘的介电常数与空气的介电常数不同，从而引起传感器电容变化，传感器将信号传给控制器，控制器控制扫地机器人发出报警信号，知道灰尘盒被清空。

2.4 陀螺仪

陀螺仪传感器是用来检测扫地机器人的转动与水平位置，当扫地机器人躲避障碍时利用陀螺仪传感器来检测扫地机器人的转动，把信号送给控制器，控制器计算出扫地机器人轮子的转速来调整机身，来躲避障碍物。当扫地机器人遇到坡状的地形时，陀螺仪计算出扫地机器人的水平位置，来调整机身通过地段。

三传感器具体型号

传感器类型产品型号产品品牌

红外线传感器R8745(ITR9909) 恒盛

超声波传感器UM18-11117 p+f/倍加福

电容式传感器CJ8-18GM-E p+f/倍加福

陀螺仪MPU6050C InvenSense

四设计总结

在未来扫地机器人更加智能化、智能运算更快、侦测技术更先进、更长清扫时间、超大电池容量、覆盖更大的清扫面积。扫地机器人是对生活方式的一种解放，它为消费者的家居生活提供了更多的便利，让打扫房屋变得轻松而有趣。扫地机器人设计人性操作简单，开启智能家居新时代，人们时时刻刻享受着智能科技所带来的便捷。

本次扫地机器人设计是一份收获，是对事情的处理能力的锻炼，通过设计扫地机器人了解了传感器在扫地机器人方面的应用和工作方式，了解了扫地机器人目前的状态和所涉及的传感器，扫地机器人在智能方面还有很大的提升空间，通过设计扫地机器人传感器应用，对传感器所做的工作有了更加明确的理解，更加深刻的体会，以后扫地机器人会更加的智能、更加的简单易用，使我们的日常生活更加便利。