扫地机器人传感器设计

扫地机器人传感器设计传感器与检测技术设计

：徐雷

班级：电信12-1班

学号：1206110123

1. 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。本设计扫地机器人采用刷扫吸尘方式，机身为无线机器，以圆盘型为主，使用充电电池运作，操作方式使用遥控器、或是按机器上的操作面板相应按钮。本次设计的扫地机器人可设定时间预约打扫，自行充电。前方设置超声破测距传感器，可侦测障碍物，如碰到墙壁或其他障碍物，会自行转弯，从室边沿开始走矩形路线，有规划清扫地区。下面来介绍一下其所需的传感器类型，数量及实现功能。

2. 智能扫地机器人所需传感器类型及个数：

(1) 防撞传感器（超声波测距传感器ZH5430）：3个。

(2) 防跌传感器（超声波测距传感器ZH5430）：3个。

(3) 防过热传感器（温度传感器DS18B20）：2个。

(4) 床底深度清扫（光敏传感器CDS-3）：8个。

(5) 灰尘盒防满传感器（介质型电容传感器ZCS1100）：2个。

(6) 低电量自动返回充电功能（红外线传感器RB-03T005）：2个。

(7) 边缘检测传感器（光电边缘检测传感器PBZ-CL007V）：2个。

(8) 遥控器控制功能（红外线传感器RB-03T005）：4个。

3. 功能

3.1. 防撞传感器

扫地机器人部安装三个超声波测距传感器，用来检测扫地机器人行进路线上是否有障碍物。超声波测距传感器安装位置如图3-1所示。

传感器感应窗

右扫地机器人顶部

左

图3-1防撞传感器设计图

超声波传感器原理：超声波是一种一定频率围的声波。它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，当前方有障碍物时，通过超声波测量与其距离，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。当测量距离小于限定值时向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向。由此可避免与家具等物品发生碰撞，从而避免损坏相应物品。

3.2. 智能行进路线

本设计扫地机器人采用往返式路径规划方法，家中摆放有不少的家具，那么

扫地机器人如何避开这些家具对家里进行整体的打扫呢。就用到防碰撞功能里的6个超声波传感器，可通过超声波测距传感器的信息来判断它放置于墙边还是房屋中间。在房屋中间，则先设为它沿某一方向运动到靠近墙边的某一点。机器入就可从墙边的某一点开始，按逆时针方向绕墙运动一周，先对室墙边地面进行一次预清扫。扫地机器人在绕完一圈后再向左或向右行走到墙壁的最左端，以此来作为它清挡路径的起始点，正式开始清扫，每快遇到墙时便运动路线的水平方向平一些距离，转向继续行进。当遇到障碍物时先绕其一周回到原位置在继续往返清扫。这样既可对室进行无死角的整体清扫了。路线示意图如图3-2所示。

图3-2行进路线示意图

3.3. 防跌落

为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落，在扫地机器人背面安装3个防跌落传感器。防跌落传感器安装位置如图3-3所示。

防跌落传感器也是利用超声波进行测距。当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离，当超过限定值时，向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向，改变扫地机器人前进方向，

从而实现防止跌落的目的。扫地机器人防止跌落示意图如图3-4所示。

前扫地机器人顶部

图3-3防跌落传感器分布

扫地机器人顶部

图3-4扫地机器人遇台阶示意图

3.4. 防过热传感器

为了防止扫地机器人持续工作导致电机过热，从而导致电路的烧毁，在扫地机器人电路板上安装两个温度传感器。当扫地机器人工作一段时间电机温度达到一定限度后一个温度传感器发送信号给控制器，控制器再控制扫地机器人停止工作，并运行散热风扇进行散热。当温度降到一定程度后，另一个温度传感器发送信号给控制器，控制器在控制扫地机器人继续工作。扫地机器人防过热传感器示意图如图3-5所示。

图3-5防过热传感器分布

3.5.床底深度清扫

床底、沙发底、柜子底等地方相对较脏，因此这些地方需要重点清扫，以保证清洁度。为实现此功能，在扫地机器人正面安装8个光敏传感器。光敏传感器安装位置如图3-6所示。

扫地机器人在床底或柜子底开始工作后，光敏传感器接收的光强较弱。当扫地机器人运行离开床底或柜子底时，光敏传感器接收到的光强发生变化，向控制器发送信号，控制器发出控制信号，使扫地机器人转向，重新回到暗处，继续进行清扫。

前

扫地机器人顶部

光敏传感器

扫地机器人顶部

光敏传感器

前

图3-6光敏传感器分布

3.6. 灰尘盒防满传感器

为了检查扫地机器人灰尘盒中的灰尘是否装满，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，提醒主人应该清理灰尘盒了。电容传感器安装示意图如图3-7所示。

扫地机器人顶部

图3-7电容传感器安装示意图

3.7. 低电量自动返回充电功能

扫地机器人所带电池容量有限，所以就需要在电量低时自动返回充电基座进行充电再返回原位置继续打扫。当电量低于限定值时，控制器会向红外线发射器发送信号，红外线发射器向四周发射红外线。充电基座安装有红外线传感器，感受到来自扫地机器人发射来的红外线后，会向扫地机器人发射红外线。扫地机器人部的红外线传感器接收到后会向控制器发送信号，控制器就会控制扫地机器人按照接受到红外线的方向找到充电基座，并自动返回进行充电。

3.8. 边缘检测传感器

边缘检测传感器是一个机械开关，开关的触发端设计成一个滑轮结构，在机器人的两侧各装有一个，用于保证机器人可以始终贴着墙的边缘走。这样就可以对墙壁边缘死角部分进行更好的清扫。