Licht-zu-Digital-Sensoren Staubsauger-Roboter – ohne Optoelektronik undenkbar

Eine optische Stoßstange in Form eines ihn umgebenden Lichtrings sorgt dafür, dass ein Staubsauger-Roboter Hindernisse wie Tischbeine, Wände oder Treppenstufen erkennt und entsprechend darauf reagiert.
Eine optische Stoßstange in Form eines ihn umgebenden Lichtrings sorgt dafür, dass ein Staubsauger-Roboter Hindernisse wie Tischbeine, Wände oder Treppenstufen erkennt und entsprechend darauf reagiert.

Wer des Staubsaugens überdrüssig ist, setzt auf einen Staubsauger-Roboter. Dass dieser problemlos Hindernisse erkennt und auch nicht über Kanten oder Treppenstufen abstürzt, ist einer „optischen Stoßstange“ zu verdanken, die mithilfe integrierter Licht-zu-Digital-Sensoren realisiert werden kann.

Um Staubsauger-Roboter durch einen Raum zu navigieren, kommen entweder optische Sensoren oder Kameras zum Einsatz. Diese Geräte besitzen gewissermaßen eine „optische Stoßstange“ in Form eines sie umgebenden Lichtrings. Kommt der Roboter einem Hindernis wie etwa einem Tischbein oder einer Treppenstufe zu nahe, wird der Lichtkreislauf unterbrochen. Dann hält der Roboter an, dreht sich in eine andere Richtung und unternimmt einen neuen Anlauf zur Fortsetzung seiner Reinigungstätigkeit.

Diese optische Stoßstange kann aus diskreten Infrarotsendern und Photodetektoren bestehen; alternativ finden integrierte Licht-zu-Digital-Sensoren Verwendung. Oft handelt es sich dabei um Produkte von Vishay. Einsetzbar sind diskrete Infrarotsender und -detektoren in verschiedenen Konfigurationen. Ein einzelner Hochleistungssender ist über einen flexiblen Lichtleiter mit einer Photodiode am anderen Ende des Lichtleiters koppelbar. Dies ist ähnlich wie bei einem zur Datenübertragung verwendeten Glasfaserkabel, doch in diesem Fall wird der flexible Lichtleiter bei der Kollision mit einem Objekt verformt und der Lichtstrom unterbrochen.

Ein alternativer Ansatz ist die Aufteilung der durchgehenden Stoßstange in kleinere Teilabschnitte, von denen jeder einen eigenen Infra­rotsender und einen eigenen Phototransistor besitzt. Kollidiert ein Teilabschnitt der Stoßstange mit einem Objekt, wird der Lichtleiter verformt und der Lichtstrom unterbrochen. Vishay bezeichnet diese Konfiguration als transmissive Abtastung. In beiden Fällen ist das Ausgangssignal des Photodetektors ein Strom, der in der Regel verstärkt und digitalisiert und dann von einem Mikrocontroller ausgewertet wird.

Eine Herausforderung für Staubsauger-Roboter stellen Klippen oder Treppen dar. Ein Absturz lässt sich mit einem Licht-zu-Digital-Näherungssensor vermeiden, der an der Vorderkante des Roboters angebracht ist und nach unten zeigt. Dieser vereint einen Infrarotsender, eine Photodiode und einen Signalprozessor in einem kompakten Gehäuse. Bestens geeignet für solche Anwendungen ist der Näherungssensor VCNL36687S von Vishay, der eine Auflösung von 12 bit bietet und einen digitalen Ausgangswert zwischen 0 und 4095 liefert.

Während der Roboter über den Boden fährt, wird das vom Infrarotsender emittierte Licht von der Holz-, Fliesen- oder Teppichoberfläche auf die Fotodiode reflektiert; dabei ermittelt der Sensor einen mehr oder weniger großen „Näherungswert“ und meldet diesen über die I2C-Schnittstelle an den Host-Mikrocontroller. Sinkt dieser Wert auf Null, bedeutet dies, dass der Roboter vor einer Klippe steht und gestoppt werden muss.

Es ist möglich, den Sensor so zu konfigurieren, dass er bei Unterschreitung eines vorgegebenen Ausgangswertes eine Alarmmeldung an den Mikrocontroller sendet. Das Sensorsystem muss intelligent genug sein, um unterscheiden zu können zwischen dem Übergang von einer reflektierenden Oberfläche – wie etwa Holz – zu einer Klippe oder zu einem dunklen Teppich, der vielleicht Infrarotlicht schluckt. Diese Differenzierung macht den Unterschied zwischen Stopp und Go aus.

Ein Staubsauger-Roboter muss auch „wissen“, wie weit er sich bewegt hat. Hier kommt ein optischer Durchlichtsensor oder Schlitzschalter zum Einsatz, bei dem ein Infrarotsender das Licht über einen Spalt auf einen Fototransistor sendet. Durch den Spalt läuft eine Codierscheibe, die mit der Antriebswelle des Roboters verbunden ist. Je nach ihrer Position wird der Lichtstrom entweder durchgeleitet oder unterbrochen. Auch dies ist eine integrierte Lösung: Infrarotsender und Phototransistor bilden zusammen einen optischen Drehgeber. Mit einem dreikanaligen Transmissionssensor wie dem TCUT1630X01 von Vishay lassen sich die zurückgelegte Entfernung, die Bewegungsrichtung (vorwärts oder rückwärts) und die Anzahl der Richtungswechsel erfassen.