Cảm biến nào giúp robot lau nhỏ tránh vực và va chạm?

• Thân robot tròn dẹt
• Cảm biến chống rơi nhìn xuống
• Cản va chạm ở mép trước
• Cảm biến ToF và chùm hẹp phía trước
• Bánh
• IMU ở giữa thân
• Đĩa encoder trên bánh

Bạn sẽ học được gì

• Giải thích cảm biến chống rơi và cảm biến ToF đo bằng cách nào, và khi nào chúng bị đánh lừa.
• Chỉ ra mỗi cảm biến nên đặt ở đâu trên một thân tròn thấp.
• Sắp thứ tự ưu tiên khi nhiều cảm biến báo cùng lúc, rồi tự kiểm một cảm biến còn đáng tin hay không.

Cần biết trước

Chỉ cần biết robot dùng cảm biến để nhận biết môi trường, ví dụ qua bài Robot dùng cảm biến để nhận biết môi trường như thế nào?. Các thiết kế dưới đây là mô hình minh họa, chưa phải kết quả thử trên robot thật.

Cảm biến chống rơi nhìn thấy mép bậc bằng cách nào?

Cảm biến chống rơi kiểm tra xem sàn có nằm đúng chỗ dưới mép thân hay không. Một bằng sáng chế về robot lau mô tả cách giao vùng nhìn của bộ thu với vùng phát của chùm tia định hướng tại một vùng định trước. Khi sàn không nằm trong vùng đó, theo cùng tài liệu, có bậc thang hoặc vật cản khác và robot được điều hướng tránh ra. Mục đích là ngăn robot lau tự hành lao xuống bậc thang hoặc qua vật quá cao.

Một mô-đun phản xạ hồng ngoại làm việc tương tự với phần cứng đơn giản. Mô-đun của Pololu có một cặp LED hồng ngoại và phototransistor, và điện áp ra thấp hơn nghĩa là phản xạ nhiều hơn. Robot so điện áp này với một ngưỡng. Ngưỡng là lựa chọn thiết kế, chỉnh theo sàn thật của nhà.

Chính cách đo này tạo ra điểm yếu. Một bằng sáng chế khác ghi nhận rằng một số cảm biến tiệm cận hoạt động không chấp nhận được trên bề mặt tối, ít phản xạ. Một tấm thảm đen vì vậy có thể trông như một vực. Suy ra từ nguyên lý, bụi che cửa sổ cảm biến cũng làm tín hiệu yếu đi, và robot sẽ coi đó là mất sàn.

• Sàn bình thường
• Thân robot
• Bộ phát và bộ thu nghiêng vào nhau
• Tia phát gặp sàn
• Mép bậc, không có sàn tại điểm gặp
• Dải thảm tối
• Tia thu yếu từ thảm tối

Cản va chạm và cảm biến ToF bắt được gì?

Cản va chạm báo vật đã chạm vào thân, còn cảm biến ToF báo vật còn cách bao xa. Một bằng sáng chế mô tả cản va chạm phát hiện các sự kiện trên đường đi của robot, và một robot lau kiểu va chạm ngẫu nhiên đi thẳng cho tới khi chạm vật rồi quay đi. Cản là chốt chặn cuối: khi cảm biến khác nhìn sai, vật cứng vẫn bị bắt lúc chạm.

Cảm biến thời gian bay đo thời gian ánh sáng quay về cảm biến. Chùm của một mô-đun ToF nhỏ rất hẹp, nên tài liệu của Adafruit nói nó chỉ cho khoảng cách của bề mặt ngay phía trước. Hệ quả cho thân tròn: một cảm biến ToF thấy một hướng, không thấy chân ghế lệch sang bên.

Bảng dưới gom các vật dễ làm ToF đo sai và việc robot nên làm. Cột hành động là thiết kế đề xuất.

• Robot tròn
• Cản va chạm
• Chùm ToF hẹp
• Tấm kính
• Hộp phía sau kính không được thấy
• Chân ghế ngoài chùm, chạm cản
• Tín hiệu quay về từ mặt kính

Encoder, IMU và dòng động cơ cho biết gì về chuyển động?

Ba cảm biến này không nhìn ra ngoài mà báo robot đang chuyển động ra sao. Encoder bánh đếm vòng quay của từng bánh, và bộ điều khiển vi sai tính odometry từ phản hồi phần cứng. IMU trong ví dụ là mô-đun gộp gia tốc kế và con quay, tổng cộng sáu trục đo: con quay báo robot đang quay, gia tốc kế báo nghiêng hoặc va. Cảm biến dòng như mạch đo dòng dùng hiệu ứng Hall của Pololu cho biết động cơ đang kéo bao nhiêu.

Giá trị của chúng nằm ở việc đối chiếu. Trong thiết kế minh họa, dòng tăng trong khi encoder đứng yên nghĩa là bánh bị giữ, tức robot kẹt. Khi có lệnh quay, mô hình so mức quay dự kiến từ hai encoder với mức quay của IMU để phát hiện bất nhất; đó chỉ là dấu hiệu nghi trượt hoặc sai cảm biến. Khi đi thẳng, bánh vẫn quay dù IMU không báo đổi hướng, nên riêng hai dấu hiệu đó không chứng minh trượt. Bình nước có cảm biến mức, ví dụ phao hoặc đầu dò, để robot về trạm trước khi bơm chạy khô.

• Encoder bánh đứng yên
• Dòng động cơ ở mức cao
• IMU không thấy quay
• Robot bị chặn bởi một khối
• Đường đối chiếu giữa các cảm biến

Nhiều cảm biến cùng báo thì nghe cảm biến nào?

Trong thiết kế minh họa, tín hiệu nghi mất sàn hoặc va chạm luôn buộc dừng trước. Việc lùi hoặc quay sau đó chỉ được phép khi cảm biến còn xác nhận được hướng thoát. Lớp phản xạ chạy trên vi điều khiển của robot, không chờ máy tính. Thứ tự đề xuất, từ cao xuống thấp:

1. Chống rơi: dừng; chỉ lùi hoặc quay khi hướng thoát được xác nhận.
2. Cản va chạm: dừng và né.
3. Dòng động cơ và encoder báo nghi kẹt: ngắt bơm, thử thoát có giới hạn nếu đường sau còn an toàn.
4. ToF: giảm tốc, đổi hướng sớm.
5. Encoder và IMU: cập nhật vị trí ước lượng.

Để biết một cảm biến còn đáng tin, robot tự kiểm ở trạm trước mỗi lượt làm việc. Đặt trên sàn quen, mọi cảm biến chống rơi phải báo có sàn. Khi nhấc lên, chúng phải báo mất sàn. IMU đứng yên không được báo quay. Một cảm biến trượt bài kiểm thì robot ở lại trạm và báo máy tính.

• Chống rơi, ưu tiên cao nhất
• Cản va chạm
• Dòng động cơ và encoder báo kẹt
• ToF
• Encoder và IMU cập nhật vị trí
• Dấu ngoặc: lớp phản xạ trên robot
• Robot trên trạm, qua bài tự kiểm

Ví dụ trong đời sống

Đây là kịch bản thiết kế. Robot đi dọc hành lang tới đầu cầu thang. Cảm biến chống rơi phía trước mất tín hiệu sàn, lớp phản xạ dừng hai bánh, lùi và quay, rồi báo máy tính vị trí mép bậc.

Sau đó robot vào phòng ngủ có thảm đen. Hai cảm biến chống rơi cùng báo mất sàn. Encoder cho thấy robot vừa chạy phẳng và IMU không thấy nghiêng, nên robot nghi đây là sàn tối chứ không phải vực thật. Nó lùi lại, đánh dấu vùng và báo máy tính để người xem. Nó không tự đi tiếp trên chỗ nghi vực.

Hiểu lầm thường gặp

Cảm biến chống rơi thấy mọi loại mép. Nó chỉ đo lượng phản xạ, nên sàn tối bị nhầm là vực, và bụi trên cửa sổ cảm biến cũng thế.

ToF thấy mọi vật phía trước. Chùm hẹp bỏ sót vật lệch bên, và kính có thể làm phép đo không phản ánh đúng vật cần thấy; không được mặc định mọi ToF đều thấy kính. Cản va chạm vẫn cần.

Có IMU thì khỏi cần encoder. Hai loại đo bổ sung cho nhau; đối chiếu giúp phát hiện bất nhất, chưa đủ xác định mọi kiểu trượt.

Câu hỏi thường gặp

Robot lau sàn có cần cảm biến chống rơi không?

Có, nếu nhà có bậc thang hoặc mép cao. Theo bằng sáng chế về robot lau, hệ chống rơi ngăn robot lao xuống bậc thang hoặc qua vật quá cao.

Vì sao robot lau có thể sợ thảm đen?

Vì cảm biến chống rơi đo phản xạ, và bề mặt tối phản xạ yếu nên có thể trông như vực. Cần đối chiếu với IMU và encoder.

Robot nhỏ có cần cả cảm biến ToF lẫn cản va chạm không?

Nên có cả hai. ToF báo sớm nhưng chỉ nhìn một hướng, còn cản va chạm bắt vật mà ToF bỏ sót.

Tóm tắt

• Cảm biến chống rơi đo phản xạ xuống sàn nên bị sàn tối đánh lừa; cản va chạm là chốt cuối cho vật cứng.
• ToF cho khoảng cách một hướng và sai với vật tối, kính hoặc kim loại bóng.
• Chống rơi và va chạm có ưu tiên cao nhất, và robot tự kiểm cảm biến ở trạm trước mỗi lượt.