掃地機器人車輪打滑檢測與修正研究

李泉溪，趙帥鵬，武文琪

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

（河南理工大學 計算機科學與技術學院，焦作 454003）

0 引言

掃地機器人工作時，存在因車輪打滑引起運行方向改變的問題，這會降低掃地機器人清掃覆蓋率并增長清掃時間[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，對長時間運行產生的小角度方向誤差檢測靈敏度低等問題[2]。本文通過研究各個車輪的光耦輸出脈沖數之間的關系，設計了雙輪檢測系統。該系統能夠準確累計運行方向誤差，提高了方向誤差檢測精度，抗干擾能力強，易于實現。

1 雙輪檢測系統總體設計

雙輪檢測系統的組成主要包括：驅動輪、檢測輪、減速器、光耦、測速片、電機，結構圖如圖1所示。車輪X1，X2為驅動輪；Y1，Y2為檢測輪，檢測輪依靠車輪與地面的摩擦力轉動。

雙輪檢測系統的控制由處理器實現，處理器完成的主要任務有：計算光耦輸出脈沖數、運行狀態判斷、方向誤差計算、電機轉動方向控制。掃地機器人左轉彎由反向驅動X1正向驅動X2實現；右轉彎由反向驅動X2正向驅動X1實現[3]。

圖1 雙輪檢測結構

2 運行狀態分析

掃地機器人正常運行有四種狀態：前進；后退；左轉；右轉[4]。正常運行狀態根據電機轉動方向判斷[5]。車輪打滑有三種狀態：左車輪打滑；右車輪打滑；兩個車輪都打滑。處理器對打滑狀態的判斷順序為：先判斷是否存在左車輪打滑或右車輪打滑，再判斷是否存在兩個車輪都打滑。

掃地機器人運行時，每隔時間Δt，處理器計算車輪Y1與Y2的光耦輸出脈沖數差值，其值為：

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

在Δt內，若因驅動輪打滑，掃地機器人運行方向向右偏轉，在直行和轉彎兩種正常運行狀態下，判斷是否存在兩個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，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與車軸中點之間的距離。

由于運行狀態復雜多變，判定式不能絕對相等。在時間Δt內，判定式(2)和式(3)成立，則在車輪打滑時，若掃地機器人運行方向向右偏轉，則掃地機器人在直行和轉彎狀態，均不存在兩個車輪都打滑的狀態。

根據式(2)和式(3)，可列出在車輪打滑引起掃地機器人運行方向向左偏轉狀態，是否存在兩個車輪都打滑的判定式。

3 方向誤差計算與校正

掃地機器人運行時，在t1，t2，t3,…,tn時刻，根據式(1)計算車輪Y2與Y1的光耦輸出脈沖數差值分別為ΔQ1，ΔQ2，ΔQ3，…，Δ Qn，掃地機器人運行的累計誤差為：

式中RY1、RY2分別為車輪Y1、Y2與X2之間的距離。雙輪檢測系統根據累計誤差對誤差進行修正，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)計算得出。

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

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

4 仿真驗證

4.1 仿真參數

主要參數如下：車輪的半徑r=3.5cm；電機減速輸出n=1r/s；減速比i=30；測速片柵片數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 仿真結果與分析

仿真時，掃地機器人運行13.6s，每個采樣周期采集到車輪的光耦輸出脈沖數如圖2所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別為車輪X1、Y1、Y2、X2的光耦輸出脈沖數。(a)與(d)中，正值表示車輪正向驅動，負值表示車輪反向驅動。

根據驅動輪輪X1、X2的光耦輸出脈沖數，掃地機器人的預設行駛軌跡如圖3所示。

圖2 車輪光耦輸出脈沖數

圖3 預設行使軌跡

如果不對車輪打滑引起的運行方向誤差進行修正，根據驅動輪X1、X2與檢測輪Y1、Y2的光耦輸出脈沖數，掃地機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。可見，采用正向校正對行駛方向誤差修正后，產生位移誤差，但修正后掃地機器人行駛軌跡與預設行駛軌跡基本保持一致。經分析，位移誤差方向與掃地機器人行駛方向垂直，若左驅動輪打滑，則存在左位移誤差，若右驅動輪打滑，則存在右位移誤差，位移誤差大小與軸長R成正比例關系，位移誤差大小為：

[1]劉維偉,張定華,史耀耀,等.航空發動機薄壁葉片精密數控加工技術研究[J].機械科學與技術,2004(03):329-331.

[2]Rai J K,Xirouchakis P.Finite element method based machining simulation environment for analyzing part errors induced during milling of thin-walled components[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture.2008,48(6):629-643.

[3]Ratchev S,Liu S,Huang W,et al.An advanced FEA based force induced error compensation strategy in milling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture.2006,46(5):542-551.

[4]武凱,何寧,廖文和,等.薄壁腹板加工變形規律及其變形控制方案的研究[J].中國機械工程,2004(08):14-18.

[5]尹飛鴻,唐國興,陳志偉,等.鋁合金航空薄壁框銑削變形預測研究[J].制造業自動化,2012(18):34-36.

[6]周孝倫,張衛紅,秦國華,等.基于遺傳算法的夾具布局和夾緊力同步優化[J].機械科學與技術,2005(03):339-342.

[7]秦國華,吳竹溪,張衛紅.薄壁件的裝夾變形機理分析與控制技術[J].機械工程學報,2007(04):211-216.

[8]劉海濤.精密薄壁回轉體零件加工殘余應力及變形的研究[D].哈爾濱工業大學,2010.

[9]Li B,Melkote N.Improved workpiece location accuracy through fixture layout optimization[J].In ternational Journal of Machine Tools &Manufacture.1999(39):871-883.

[10]董輝躍,柯映林.銑削加工中薄壁件裝夾方案優選的有限元模擬[J].浙江大學學報(工學版),2004(01):18-22.