【应用】模拟芯片助力扫地机器人智能化，实现定位导航功能与清扫功能

时间： 2021-03-23 来源：思瑞浦

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扫地机器人作为智能家居硬件中的一员，智能化程度已越来越高；持续的技术升级，主要体现在两个功能上：第一是定位导航功能，让机器准确知道自己的位置，以便准确规划清扫路线；第二是清扫功能，让清扫更高效、清洁。而不断的技术创新，就需要通过更高性能的模拟芯片来实现。

思瑞浦（3PEAK）专注于高性能模拟芯片研发，在扫地机器人行业耕耘多年，持续为扫地机器人行业提供一系列高性能芯片产品，如运算放大器、数据转换器（ADC）、线性稳压器（LDO）、模拟开关等。

下面将介绍思瑞浦（3PEAK）模拟器件如何助力扫地机器人实现定位导航功能与清扫功能。

一、定位导航功能

最初的扫地机器人没有定位导航功能，采用“走到哪、撞到哪”的随机清扫方式，不够智能化；

之后出现了“惯性定位导航”方式，采用弓字型清扫的扫地机器人就是采用惯性定位导航。该方法是利用内部陀螺仪和加速度计获取的信息来计算出扫地机的位置。但惯性定位导航的定位精度会随行走时间与距离的增加产生累计误差，最后因为误差较大，扫地机无法完成精确清扫。

如今发展出了LDS激光测距、激光TOF测距还有利用摄像头的VSlam方式。此外还会在扫地机的侧面与底部安装多个近红外光传感器，俗称测视与下视传感器，可用于近距离障碍物的检测，保证扫地机能够绕开障碍物并防止意外跌落。

1、红外障碍感应

通常采用分立的方案实现：采用近红外发射接收对管，发射管发出的红外光经过障碍物的反射，被接收管接收，配合运算放大器将接收到的小信号进行放大，信号的强弱可以判断出障碍物的距离，如图1的示意图。

由于近红外发射管发散角比较大，最后反射入接收管的光信号强度较小，故通常情况下只能测量比较近的距离。

图1、近红外障碍感应功能原理

思瑞浦LMV358B是一款高性价比的运放，其失调电压Vos为正值，可以避免做I/V转换电路时，较小的输入信号因为Vos为负值被抵消而难以检测的问题。

2、LDS激光测距

在扫地机器人上装一个可360°旋转的LDS激光测距模块，测量扫地机器人与环境的距离从而实现定位；通过与软件算法的结合，能够实时构建房间地图，然后根据地图优化清扫路线。通常可以在10m以内的距离精确测量，测量精度可达到几个厘米。

1）三角测距法

三角测距法因成本低、满足商用要求精度的特点，被应用于扫地机器人。其原理如图2所示：激光器Laser以一定的角度β射出一束激光，沿激光方向距离为d的物体反射激光；反射激光被一个长条的CMOS传感器接收。利用相似三角形的原理，只要测量到反射光斑中心在CMOS传感器上的位置就能折算出与被测物之间的距离d。此外若把激光器与CMOS传感器固定在一起并旋转就能360°扫描与周围环境的距离了。

图2、三角测距法测距原理

2）分立式CMOS方案对于ADC的需求

CMOS传感器分为模拟输出与数字输出，模拟输出的CMOS传感器需要外部的模数转换器（ADC），扫地机中CMOS对于ADC需要总结如下：

· CMOS传感器输出最低频率：1024个像素点*10kHz帧刷新率=10MHz，故ADC采样率需要10MHz以上

· 输出信号：随时钟移位输出的脉冲信号

· CMOS传感器输出信号：0~2V

· 电压Buffer速度要求：>10MHz

· ADC分辨率：10bit

· ADC类型：并行，外接时钟同步采样

图3、LDS分立式CMOS传感器解决方案

思瑞浦高速ADC--3PA1030，采用Pipeline流水线型架构，分辨率为10bit，采样速率可达50M，配合缓冲器运放TPH2501使用，能够快速完成距离信息的采集。

3、TOF飞行时间

在结构上设计会比LDS更为简单，能比LDS测量更远的距离。TOF的技术可以简单理解为探测发射光脉冲的时间点与碰到物体后反射至传感器的时间差来换算出距离。

图4、TOF飞行时间法解决方案

由于光的传播速度非常快，若要精确测量距离，对于信号处理电路要求会很高，信号处理电路的整体延时时间要非常小。

思瑞浦高速运放TPH2501，具有250M增益带宽、100V/uS的压摆率等特性；高速比较器 TP1981，传播延时时间典型值达到3.5nS。

二、清扫功能

清扫功能是扫地机器人的核心，为实现高效清扫，扫地机器人集成了多个电机，如边刷电机、吸尘电机、滚刷电机等。

1、电机的应用

扫地机器人在清扫的过程中非常容易接触到毛发、充电线等异物，存在一定概率扫地机器人的电机被异物缠绕的情况。可以利用采样电阻与运算放大器监测各个电机工作时电流情况，当监测到电机电流过大时，及时关闭电机，并告知用户。

此外由于扫地机器人长时间清扫，容易累积静电，特别是在干燥的秋冬季节或是北方地区，扫地机器人中的元件由于静电被打坏的情况经常发生。特别是像运算放大器这种关键器件，一旦因为静电而损坏，系统会因无法获知电机电流信息而无法正常运行。

针对扫地机器人市场，思瑞浦双通道运放LMV358B，对ESD以及Latch-up性能做了优化：

· 通过了±8kV的IEC61000-4-2的ESD测试

· 高温下（125℃）Latch-up测试，能够通过500mA

· 具有较强的抗静电能力

2、超声传感器的应用

随着拖地功能的加入，越来越多的扫地机器人会在机器底部加入超声传感器。传感器可以检测地面的材质，判断出是地板、地毯或其他材质，从而智能控制扫地机器人水箱出水速度。

此外还能够根据地板的材质，智能控制吸尘电机的功率，从而智能控制吸力。若检测到地毯，扫地机器人会加大吸尘电机的功率。

为了实现更近距离的精确检测，需要提高超声频率。传统超声模块的换能器频率为40kHz左右，目前扫地机器人上用到了300kHz超声频率，因此就需要更高速的运算放大器对探测器回波信号进行处理。

图5 、超声传感器模块的解决方案

思瑞浦高速运算放大器 TPH2502，250MHz单位增益带宽，压摆率达到了180V/uS，适合用于超声模块中的信号处理。

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