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，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(jī)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(chǎn)生的小角度方向誤差檢測靈敏度低等問題[2]。本文通過研究各個車輪的光耦輸出脈沖數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計了雙輪檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)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(qiáng)，易于實現(xiàn)。

1 雙輪檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

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)的控制由處理器實現(xiàn)，處理器完成的主要任務(wù)有：計算光耦輸出脈沖數(shù)、運行狀態(tài)判斷、方向誤差計算、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實現(xiàn)；右轉(zhuǎn)彎由反向驅(qū)動X2正向驅(qū)動X1實現(xiàn)[3]。

圖1 雙輪檢測結(jié)構(gòu)

2 運行狀態(tài)分析

掃地機(jī)器人正常運行有四種狀態(tài)：前進(jìn)；后退；左轉(zhuǎn)；右轉(zhuǎn)[4]。正常運行狀態(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；兩個車輪都打滑。處理器對打滑狀態(tài)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(jī)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(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)器人運行方向向右偏轉(zhuǎn)，在直行和轉(zhuǎn)彎兩種正常運行狀態(tài)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(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與車軸中點之間的距離。

由于運行狀態(tài)復(fù)雜多變，判定式不能絕對相等。在時間Δt內(nèi)，判定式(2)和式(3)成立，則在車輪打滑時，若掃地機(jī)器人運行方向向右偏轉(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)器人運行方向向左偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，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(jī)器人運行時，在t1，t2，t3,…,tn時刻，根據(jù)式(1)計算車輪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(tǒng)根據(jù)累計誤差對誤差進(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)器人行駛的累計誤差ΔN≥Nd，正向驅(qū)動左驅(qū)動輪X1，修正量為S；若累計誤差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)器人行駛的累計誤差ΔN≥Nd，反向驅(qū)動右驅(qū)動輪X2，修正量為S；若累計誤差ΔN≤(-Nd)，反向驅(qū)動左驅(qū)動輪X1，修正量為S。

4 仿真驗證

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，掃地機(jī)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(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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