如何设计扫地机器人_面临扫地机器人设计挑战？这六种情况可以用小型放大器搞定！

忙碌的一周后，家庭清洁工作是人们最不愿意做的事情之一。 迄今为止，扫地的机器人出现了约23年，随着其智能和自动化程度的不断提高，人们可以在工作的时候专注于自己。

清扫机器人的参考设计与产品

现在扫地的机器人集聚了新的拖地功能和自动除尘功能等非常多的功能。 但是，对于设计者来说，在设计可靠的系统时会面临更多的挑战。 小型放大器有助于快速克服许多重大挑战。 下面列出了设计者在设计过程中面临的6个挑战，以及小型放大器提供的6个解决方案

设计挑战1 :失速检测延迟，电机寿命缩短。

扫地机器人的车轮力量决定了克服障碍的能力。 为了通过厚地毯超过阈值，其电动机功率至少需要30W以上。 发生失速或过载时，例如车轮卡在电线上时，电机的绕组电流会立即上升。 延迟检测时，电机过热，寿命缩短。

解决方案1 :电机控制系统中的高速瞬态响应电流感应。

为了减少过热的可能性，可以使用低侧电流感应电路监视电机的电流，参照图1。

图1 :电机控制系统中的电流感应电路

在这个应用中运算放大器( op amps )的电动机控制系统中使用的电流感测电路的重要参数是转换速率。 例如，发生失速事件时，线圈电流从0.5 A上升到3.5 A，运算放大器的输出从0.5 V变为3.5 V(50mΩ分流电阻和20-V/V增益)。 使用转换率为0.5 V/μs的运算放大器时，步进变化的稳定时间约为6μs，而使用TI的TLV905x等转换率为15 V/μs的运算放大器时，相同的步进变化的稳定时间仅为0.2μs。 因此，使用过渡响应速度提高了30倍的TLV905x，可以增加控制器执行过电流保护的馀地。

设计课题2 :由于充电电压不正确，电池续航时间缩短。

扩大电池容量是扫除机器人面临的重要设计课题。 消费者期待机器人在需要再充电之前能完成完整的清洁循环。

使用低品质电流传感器的高输出电压脉动会产生无法使用的电池容量。 例如，4.2 V的电池精度为±3.5%时，250次充电循环可使用的电池容量降低到40%，4.2 V的电池精度为±0.5 %时，可使用的电池容量维持在85%。

解决方案2 :恒流/恒压电路中的高精度电压/电流感应。

为电池充电的一个常见方法是使用单独的充电解决方案，如图2所示。 电压和电流感应电路在控制电路中产生反馈电压和电流信号。 为了实现高精度和稳定性，偏移电压和温度漂移是此处使用的运算放大器的两个重要参数。

图2 :分立充电器电路

设计课题3 :负温度系数( NTC )热敏电阻错误，电池过热。

监测电池组的温度是扫除机器人的一大安全问题。 与温度传感器的解决方案相比，监视电池组温度的经济实惠的方法是使用NTC热敏电阻检测电路。 如果无法检测温度，电池组可能会过热或烧毁。

解决方案3 :使用NTC进行高精度的温度测量。

测量温度的一种方法是使用电阻和热敏电阻分配电源，将分压器的输出直接连接到系统控制器内部的模数转换器( ADC )端子。 由于分压器的输出阻抗低，输出电压范围对于ADC是不理想的，因此该方案效率不高，测量结果也不准确。

图3使用运算放大器作为缓冲器来调节温度输出信号，通过向分压器和低阻抗节点提供高阻抗节点以驱动ADC，将输出范围调节为最佳ADC分辨率。 运算放大器的影响参数有直流精度(偏移电压、电压漂移)和稳定性。

图3:NIC热敏电阻检测电路

设计课题4 :由于测距仪的测量不正确，定位和导航系统的精度较低。

清扫机器人构建环境地图时，测距仪必须提供图纸的正确行走距离。 测距仪的测量不正确时，机器人的定位和导航精度会下降。

解决方案4 :可用稳定的测距信号增强电路。

测量行驶距离的一般方法是使用光电解码器或霍尔效应传感器对脉冲进行计数来获得行驶距离信息。 通常，由于跳闸仪表被设置在车轮的内部，印刷电路板的配线较长，容易受开关噪声的影响，因此在MCU的输入端口处，输出信号产生失真。 图4所示的缓冲电路能够生成没有抖动或故障的标准逻辑信号。

图4 :用于稳健逻辑输出电路的缓冲器

设计课题5 :噪音/扭曲的电机驱动信号可能会导致电机意外运行。

系统控制器通常位于控制板的中央，电机安装在基板的端部。 因此，与MCU端口直接连接的驱动信号容易产生干扰和失真，从而导致电机意外动作。

解决方案5 :电机驱动路径中的脉宽调制( PWM )增强电路。

这种解决方案不是将驱动信号连接到MCU端子的电路，而是扩展运算放大器作为放大器。 图5显示的是带刷子直流电动机用的分立电动机驱动解决方案。 控制器利用图腾柱场效应晶体管的驱动器生成PWM信号，驱动h桥功率晶体管。 PWM增强电路可将延迟降至最低，增强PWM信号，同时有助于降低噪声和失真。

图5 :扩展PWM电路

设计挑战6 :由于扫地机器人的距离检测错误，发生了碰撞和跌落事故。

防坠落传感器检测楼梯的高度，碰撞传感器检测扫地的机器人周围的障碍物。 如果距离检测错误，传感器的性能会变得不正确，会发生碰撞或掉落，从而导致机器人损坏。

解决方案6 :高精度的红外线输出信号调整。

如图6所示，红外线LED和光电晶体管广泛用作检测距离的低成本的解决方案。 距离信息与固定频率调制波的回波幅度相关。

图6 :红外LED接收器信号调节电路

具有低输入偏置电流的跨阻抗运算放大器电路在此得到广泛应用。 参考电路示于SBOA268A。