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第二章 智能清扫机各系统分析
2.1 智能清扫机传感器系统分析
传感器系统是清扫机的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息,
是清扫机的重要组成部分,由多传感器及相关信号处理电路组成。在非结构化环
境下,传感器系统为清扫机的正常工作发挥着无可替代的作用。清扫机传感器系
统的性能越好,自动避障和路径规划方案就越容易实现,控制系统的程序就更容
易编写和执行,清扫机系统的整体性能也就越好。
移动机器人传感器系统常用的传感器大致可以分为内传感器和外传感器两
大类。内传感器主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、
位置等。这类传感器主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘
等。外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。这类传感
器包括 CCD 视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。
清扫机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息,以实现机清
扫机的自主避障。由此可见,传感器的选择直接关系到清扫机自动避障策略的选
择和执行质量。对工作环境下的障碍物信息,可以通过外部传感器获得,移动机
器人上常用的探测障碍物的传感器主要有超声波传感器、红外光电传感器、接触
传感器和视觉传感器等几种。
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。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学
等方面。超声波传感器通过计算超声波的发射接收时间间隔实现定量测距。超声
波传感器波束较宽,方向性差,但是其环境适应能力强,探测距离远,采集信息
速度快,且比一般视觉传感器和激光测距仪都要便宜,因此在许多方面得到广泛
应用。
红外光电传感器具有探测视角小、方向性好、信号处理简单和反映速度快等
优点,但是其受环境影响较大,当探测头被灰尘等污染后,其探测性能将大大下
降。红外光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光
信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。红外光电传感器是采
用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,