李泉溪，趙帥鵬，武文琪

LI Quan-xi, ZHAO Shuai-peng, WU Wen-qi

（河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，焦作 454003）

0 引言

掃地機(jī)器人工作時(shí)，存在因車輪打滑引起運(yùn)行方向改變的問題，這會降低掃地機(jī)器人清掃覆蓋率并增長清掃時(shí)間[1]。目前，人們使用電子羅盤或三軸陀螺儀檢測因車輪打滑引起的運(yùn)行方向誤差，但電子羅盤容易受外部磁場干擾，三軸陀螺儀存在漂移誤差，對長時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的小角度方向誤差檢測靈敏度低等問題[2]。本文通過研究各個(gè)車輪的光耦輸出脈沖數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了雙輪檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確累計(jì)運(yùn)行方向誤差，提高了方向誤差檢測精度，抗干擾能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)。

1 雙輪檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

雙輪檢測系統(tǒng)的組成主要包括：驅(qū)動輪、檢測輪、減速器、光耦、測速片、電機(jī)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。車輪X1，X2為驅(qū)動輪；Y1，Y2為檢測輪，檢測輪依靠車輪與地面的摩擦力轉(zhuǎn)動。

雙輪檢測系統(tǒng)的控制由處理器實(shí)現(xiàn)，處理器完成的主要任務(wù)有：計(jì)算光耦輸出脈沖數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)判斷、方向誤差計(jì)算、電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制。掃地機(jī)器人左轉(zhuǎn)彎由反向驅(qū)動X1正向驅(qū)動X2實(shí)現(xiàn)；右轉(zhuǎn)彎由反向驅(qū)動X2正向驅(qū)動X1實(shí)現(xiàn)[3]。

圖1 雙輪檢測結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)行狀態(tài)分析

掃地機(jī)器人正常運(yùn)行有四種狀態(tài)：前進(jìn)；后退；左轉(zhuǎn)；右轉(zhuǎn)[4]。正常運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向判斷[5]。車輪打滑有三種狀態(tài)：左車輪打滑；右車輪打滑；兩個(gè)車輪都打滑。處理器對打滑狀態(tài)的判斷順序?yàn)椋合扰袛嗍欠翊嬖谧筌囕喆蚧蛴臆囕喆蚧倥袛嗍欠翊嬖趦蓚€(gè)車輪都打滑。

掃地機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，每隔時(shí)間Δt，處理器計(jì)算車輪Y1與Y2的光耦輸出脈沖數(shù)差值，其值為：

式中，Q1、Q2分別指車輪Y1、Y2的光耦輸出脈沖數(shù)。若ΔQ大于0，說明左驅(qū)動輪打滑，掃地機(jī)器人運(yùn)行方向向左偏轉(zhuǎn)；ΔQ小于0，說明右驅(qū)動輪打滑，掃地機(jī)器人運(yùn)行方向向右偏轉(zhuǎn)。

在Δt內(nèi)，若因驅(qū)動輪打滑，掃地機(jī)器人運(yùn)行方向向右偏轉(zhuǎn)，在直行和轉(zhuǎn)彎兩種正常運(yùn)行狀態(tài)下，判斷是否存在兩個(gè)車輪都打滑的判定式分別為：

式中，P1、Q1分別指車輪X1、Y1的光耦輸出脈沖數(shù)，ΔQ由式(1)求出，R、RY1、RY2分別為車輪X1、Y1、Y2與車輪X2之間的距離，R1、R2分別為車輪X1、Y1與車軸中點(diǎn)之間的距離。

由于運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜多變，判定式不能絕對相等。在時(shí)間Δt內(nèi)，判定式(2)和式(3)成立，則在車輪打滑時(shí)，若掃地機(jī)器人運(yùn)行方向向右偏轉(zhuǎn)，則掃地機(jī)器人在直行和轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，均不存在兩個(gè)車輪都打滑的狀態(tài)。

根據(jù)式(2)和式(3)，可列出在車輪打滑引起掃地機(jī)器人運(yùn)行方向向左偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，是否存在兩個(gè)車輪都打滑的判定式。

3 方向誤差計(jì)算與校正

掃地機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，在t1，t2，t3,…,tn時(shí)刻，根據(jù)式(1)計(jì)算車輪Y2與Y1的光耦輸出脈沖數(shù)差值分別為ΔQ1，ΔQ2，ΔQ3，…，Δ Qn，掃地機(jī)器人運(yùn)行的累計(jì)誤差為：

式中RY1、RY2分別為車輪Y1、Y2與X2之間的距離。雙輪檢測系統(tǒng)根據(jù)累計(jì)誤差對誤差進(jìn)行修正，修正量為：

式中，R、RY1、RY2分別為車輪X1、Y1、Y2與車輪X2之間的距離，ΔN由式(4)計(jì)算得出。

誤差校正閾值記為Nd。正向校正的方法為：若掃地機(jī)器人行駛的累計(jì)誤差ΔN≥Nd，正向驅(qū)動左驅(qū)動輪X1，修正量為S；若累計(jì)誤差ΔN≤(-Nd)，正向驅(qū)動右驅(qū)動輪X2，修正量為S。

反向校正的方法為：若掃地機(jī)器人行駛的累計(jì)誤差ΔN≥Nd，反向驅(qū)動右驅(qū)動輪X2，修正量為S；若累計(jì)誤差ΔN≤(-Nd)，反向驅(qū)動左驅(qū)動輪X1，修正量為S。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)

主要參數(shù)如下：車輪的半徑r=3.5cm；電機(jī)減速輸出n=1r/s；減速比i=30；測速片柵片數(shù)x=30；車輪X1與X2之間的距離R=40cm；車輪Y1與X2之間的距離RY1=30cm；車輪Y2與X2之間的距離RY2=10cm；采樣周期ΔQt=0.2s；誤差校正閾值Nd=8。

4.2 仿真結(jié)果與分析

仿真時(shí)，掃地機(jī)器人運(yùn)行13.6s，每個(gè)采樣周期采集到車輪的光耦輸出脈沖數(shù)如圖2所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別為車輪X1、Y1、Y2、X2的光耦輸出脈沖數(shù)。(a)與(d)中，正值表示車輪正向驅(qū)動，負(fù)值表示車輪反向驅(qū)動。

根據(jù)驅(qū)動輪輪X1、X2的光耦輸出脈沖數(shù)，掃地機(jī)器人的預(yù)設(shè)行駛軌跡如圖3所示。

圖2 車輪光耦輸出脈沖數(shù)

圖3 預(yù)設(shè)行使軌跡

如果不對車輪打滑引起的運(yùn)行方向誤差進(jìn)行修正，根據(jù)驅(qū)動輪X1、X2與檢測輪Y1、Y2的光耦輸出脈沖數(shù)，掃地機(jī)器人的未修正行駛軌跡如圖4所示。

圖4 未修正行駛軌跡

利用正向校正對車輪打滑引起的方向誤差修正，修正后的行使軌跡如圖5所示?？梢姡捎谜蛐Ｕ龑π旭偡较蛘`差修正后，產(chǎn)生位移誤差，但修正后掃地機(jī)器人行駛軌跡與預(yù)設(shè)行駛軌跡基本保持一致。經(jīng)分析，位移誤差方向與掃地機(jī)器人行駛方向垂直，若左驅(qū)動輪打滑，則存在左位移誤差，若右驅(qū)動輪打滑，則存在右位移誤差，位移誤差大小與軸長R成正比例關(guān)系，位移誤差大小為：

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