サービスロボットが周囲の環境をどのように認識するか

Mar 20, 2023

RVC の基本となるのは、高い精度で動き回る能力です。 ここでは、TDK のインテリジェントな HVC 4222F 組み込みモータ コントローラが、さまざまなステッピング モータ、ブラシ付き (BDC) およびブラシレス (BLDC) DC モータの直接制御を提供します。 これらは、ホイールが RVC を正しい方向に確実に動かすために、ギアを回転させるモーターを駆動します。 センサーを使用するかどうかにかかわらず、クリーナーが軌道から外れないようにするためには、これらのデバイスの高精度が非常に重要です。 RVC が一定時間にわたって想定される位置にいることを確認するには、ホイールが 88 度ではなく 90 度回転していることを認識することが不可欠です。

CH101 や CH201 などの超音波飛行時間型 (ToF) センサーは、それぞれ最大 1.2 m および 5 m の距離にあるターゲットまでの正確な距離測定を提供します。 超音波パルスを送信し、センサーの視野 (FoV) 内の物体から反射するエコーを受信します。 内蔵処理ユニットが ToF を計算し、外部制御ユニットがオブジェクトまでの距離を決定します。 光学式距離センサーとは異なり、超音波センサーは暗闇を含むあらゆる照明条件で動作し、ターゲットの色に関係なくミリメートル精度の測定を提供し、ガラスなどの透明な物体を検出できます。 ロボット掃除機では、長距離の CH201 を使用して昼夜を問わず移動物体と静止物体の両方を検出し、事前にルートを逸脱して衝突を回避できます。 短距離の CH101 超音波 ToF センサーをロボット掃除機に実装して、さまざまな床のタイプを判別できます。 ここで、ターゲットの表面が硬いか柔らかいかによって、反射信号の振幅が異なります。 ロボット掃除機が木製の床からカーペット敷きのエリアに移動すると、このタイプの床ではより激しく動作する必要があるため、センサーはモーターの速度を上げるように指示できます。 これらのセンサーは、掃除機が階段の最上部にあるかどうかを検出して、転落を回避することもできます。

超音波センシングの基礎

ロボット掃除機のナビゲーション ソリューションの多くは、視覚的同時位置特定およびマッピング (VSLAM) または LIDAR テクノロジーを使用して部屋の仮想マップを構築し、部屋をより効率的かつ効果的に移動できるようにします。 しかし、何らかの理由で掃除機を持ち上げて別の場所に置いた場合、それがどこにあるのかわかりません。 したがって、ランダムな方向に移動する必要があり、壁をたどることによって、マップに対する新しい位置を再発見できます。 TDK の ICM-42688-P などの慣性測定ユニット (IMU) は、この問題の解決に役立ちます。 これらの 6 軸モーション センサーは、ロボット掃除機の動きのロール、ピッチ、ヨーを直線と回転の両方の観点から取得します。 これらの動きと部屋のマッピングに基づいて、掃除機は正確な位置を特定できます。 そして、誰かがそれを拾って別の場所に置いた場合、それが現実空間のどこにあるかを認識します。 VSLAM または LIDAR マッピング技術を使用しないロボット掃除機の場合、推測航法を使用して位置とナビゲーションを決定できます。 車輪の回転からの測定値と、IMU からの慣性測定値および ToF センサーからの物体検出を組み合わせることで、掃除機は室内での方向を定めることができます。

音声アシストを備えた人工知能 (AI) を実装する場合、ICS-43434 マルチモード デジタル マイクなどのマイクが不可欠なセンサー テクノロジーになります。 現時点では、クリーナーのモーターとブラシの回転音が少しうるさいです。 ただし、音が静かになった場合、このノイズを無視してユーザーの声を特に聞くようにアルゴリズムをトレーニングすることができます。掃除機に何かを掃除するように要求するか、シャットダウンするように指示するかは、いくつかの可能性があります。 別の解決策としては、マイクが何かが話されていることに気付いた場合、TDK の HVC 4420F などの掃除機に組み込まれたモーター コントローラーがコマンドを聞くためにモーターの速度を落とすかオフにすることが考えられます。

圧力センサーでダストボックス内の空気の流れを監視することで、ダストボックス内のゴミのレベルを推定します。 TDK ICP-10101 などの気圧センサーは、ゴミ箱内の気圧を監視します。 空気圧の低下はダストボックスが満杯であることを示しており、掃除機は掃除サイクルを停止して基地に戻ることができます。 高級台の中にはダストボックスの中身を自動で吸引する機能を備えたものもあります。 その後、掃除機は最後に確認された位置に戻り、掃除を続けることができます。 バッテリーが任意の SoC レベルに達すると、バッテリー管理システムは掃除機を停止し、再充電のためにベースに戻るように指示を送信できます。 完全に充電されると、ロボット掃除機は最後に確認された位置に戻り、掃除を続けます。 部屋の広さに関係なく、理論上、掃除機は継続的に動作できます。

・圧力センサーを使用してダストボックス内の空気の流れを監視します。

・ダストボックスの満杯やフィルターの目詰まりを特定

・オプションで 2 番目の圧力センサーを使用して、HVAC などの局所的な環境影響を除去してソリューションを改善できます。

温度センサーの一種であるTDKのNTCサーミスタは、MCUまたはMPUの動作温度を監視するために適用できます。 モーターやブラシギアの温度の監視にも適用できます。 ゴムバンドや余分な髪の毛などのものがブラシに挟まると、モーターが過剰に補正されて過熱する可能性があります。 稼働中の温度が高すぎる場合、清掃員は休憩を取るように指示され、場合によっては問題の原因を特定するためにいくつかのシステム診断を実行するように指示されます。

TDK RoboKit1 開発プラットフォームは、上記のすべての製品を単一の PCB 上に統合することで、開発者が汎用ロボット掃除機アプリケーションを開始するために複数のベンダーに行く必要性を簡素化します。 また、ソフトウェア ライブラリと ROS1 および ROS2 準拠のドライバーも含まれており、設計チームがそれらをカスタマイズして新しいアルゴリズムを開発できるようになります。 TDK のセンサー ソリューションがどのようにサービス ロボットの高度な制御を可能にするかについて詳しくは、ロボット掃除機ソリューション ガイドをご覧ください。