家庭服務機器人紅外避障傳感器安裝位置分析

服務機器人在家庭住宅、酒店客房、辦公空間、會所等室內(nèi)空間使用時，都要用到避障傳感器，通常采用紅外、超聲波、激光雷達、雙目視覺四種傳感器中的一種或多種進行避障操作，本文將主要分析紅外避障傳感器的安裝位置。

紅外避障傳感器基本原理：利用物體的反射性質(zhì)。在一定范圍內(nèi)，如果沒有障礙物，發(fā)射出去的紅外線，因為傳播距離越遠而逐漸減弱，最后消失。如果有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到達傳感器接收頭。傳感器檢測到這一信號，就可以確認正前方有障礙物，并送給單片機，單片機進行一系列的處理分析，協(xié)調(diào)服務機器人的兩輪工作，完成躲避障礙物動作。

紅外避障傳感器是專為輪式機器人設計的一款距離可調(diào)式避障傳感器。其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物(反射面)時，紅外線反射回來被接收管接收，此時指示燈亮起，經(jīng)過電路處理后，信號輸出接口輸出數(shù)字信號，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離2～40cm，工作電壓為3.3V-5V，由于工作電壓范圍寬泛，在電源電壓波動比較大的情況下仍能穩(wěn)定工作，適合多種單片機、Arduino控制器、樹莓派使用，安裝到機器人上即可感測周圍環(huán)境的變化。

一種典型的紅外壁障傳感器

紅外避障傳感器工作原理：紅色線接5V，黃色接信號，綠色GND 接電源負極或單片機上的邏輯地。前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口(黃色)電平會從高電平變成低電平(0)。背面圖有一個電位器可以調(diào)節(jié)障礙的檢測距離。在電路設計中可以再輸出端黃線加上拉電阻10K到5V，再接入單片機檢測，會比較穩(wěn)定，單片機檢測可以采用外部硬件中斷INT0 INT1等來實現(xiàn)。

當前在服務機器人本體上安裝的紅外避障傳感器通過按照高中低三組進行安裝，如最常見的安裝高度為低位80mm，中位480mm，高位780mm。這一安裝高度的設定并沒有充分的標準和依據(jù)，在實際應用中出現(xiàn)了許多情況紅外避障傳感器因為安裝太高、太低或密度不夠?qū)е聼o法探知到附近障礙物，從而影響服務機器人的行動并對可能會環(huán)境和人造成破壞，這都是紅外避障傳感器安裝方法不恰當造成的，急需根據(jù)環(huán)境特色尤其障礙物特點研究更合適的紅外避障傳感器的部署方案。

廣州零號軟件科技有限公司(機器人零號)在健康養(yǎng)老服務機器人的研發(fā)過程中，進行了大量的實景測量和場景模擬，基本總結出住宅等室內(nèi)空間內(nèi)服務機器人所需的紅外傳感器安裝高度，這些經(jīng)驗也用在哈士奇健康服務機器人本體上。

我們在研發(fā)中，依據(jù)家具設計相關的國家標準和規(guī)范，整理和總結常見的家具的高度，尤其分析家具凸出物如桌邊、椅面和靠背、茶幾邊、沙發(fā)扶手和靠背、床邊，因為這些在垂直面上超出底部和凸出部位是最容易給服務機器人移動帶來障礙的。以下是有關家具的高度的尺寸說明：

1、桌類家具高度尺寸標準可以有700mm、720mm、740mm、760mm四個規(guī)格;

2 椅凳類家具的座面高度可以有400mm、420mm、440mm三個規(guī)格。

3 床沿一般來說床沿高度以45厘米為宜;褥面距地面高度來測算，標準是46~50厘米;

4 沙發(fā)的一般座高：350-420mm;扶手高560-600mm;單人式背高：700-900mm。

5、茶幾：高度為350-500mm。

在室內(nèi)的其它家具，包括柜子、箱子、書架等都在垂直面上基本保持一致沒有明顯的凸出部位，所以服務機器人紅外傳感器在任何高度測量到的距離都是一致的，只要任何高度的一個紅外傳感器獲得數(shù)據(jù)就可以代表感知到這一障礙物，所以，這類具有平整立面的家具不用考慮紅外避障傳感器的新的安裝方法。

家電，尤其是可能出現(xiàn)在服務機器人移動路徑附件的一些家電，如冰箱、洗衣機、飲水機等，也具有平整的立面，所以也不用考慮慮紅外避障傳感器的新的安裝方法。

由于家具的桌面板材厚度有16mm、18mm、25mm等三個主要尺寸，茶幾的鋼化玻璃的厚度為10mm以上，通常12mm。因此，我是從家具表面(家具高度最高點)向下10mm范圍是可以觸碰到家具的凸出面的，這也就可以成為服務機器人紅外避障傳感器安裝高度的重要依據(jù)。

根據(jù)家具的特征，我們整理出對于服務機器人行動比較敏感的一些高度：

因此，從上表可獲得服務機器人安裝紅外避障礙服務機器人的低位、中位、高位。有了安裝的高度，還需要進一步設計紅外避障礙傳感器的布局。

為了獲得最佳的避障效果，我們一共采用24個紅外避障傳感器，其中正面安裝12個,兩個側(cè)面每個側(cè)面安裝3個共計6個，后面安裝6個。

低位的紅外避障傳感器在80mm高度分布安裝，其中正面部署2個，兩個側(cè)面每個側(cè)面1個，背面2個。

中位的紅外避障傳感器在五個不同高度分布安裝，分別是340mm、390mm、420mm、430mm、490mm。其中正面要求有五個紅外避障傳感器在五個高度全部部署安裝，側(cè)面安裝一個紅外避障傳感器，高度為420mm;背面安裝三個紅外避障傳感器，高度分別為340mm、390mm、420mm。

高位的紅外避障傳感器在四個不同高度分布安裝，分別是690mm、720mm、730mm、750mm。其中正面要求有四個紅外避障傳感器在四個高度全部部署安裝，側(cè)面安裝一個紅外避障傳感器，高度為720mm;背面安裝兩個紅外避障傳感器，高度分別為690mm、730mm。

在本案例中，紅外避障傳感器采用NPN型光電開關;輸出狀態(tài)是0、1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平，檢測到目標是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出，輸出外加一個1K左右的上拉電阻即可連接到單片機IO口上。由于設計了24個紅外避障傳感器，因此，對應需要單片機IO數(shù)量為24個。

這種安裝位置與安裝方法，相對于現(xiàn)有的紅外避障感器的安裝方法進行了重要改進：針對家具凸出物高度進行的安裝位置優(yōu)化，采用了低中高三個安裝區(qū)域共24組紅外避障傳感器，分布安裝在服務機器人的前面、兩側(cè)和后面。讓紅外避障傳感器總能掃描到家具凸出面，從而讓服務機器人能夠進行有效避讓各類家具，適用于家庭服務機器人、商用服務機器人、送餐機器人等各類服務機器人。