薛艷

【摘? 要】隨著工業(yè)化水平的提高，電腦鼠作為自動化機(jī)器人開始被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。設(shè)計(jì)電腦鼠需要對其運(yùn)動機(jī)能、行走路徑、傳感器應(yīng)用等多種技術(shù)進(jìn)行研究，以保證電腦鼠具備良好的穩(wěn)定性，之后再對其速度與算法進(jìn)行針對性改進(jìn)。論文在傳統(tǒng)電腦鼠的設(shè)計(jì)與控制方式中引入吸盤結(jié)構(gòu)，對吸盤吸力與電腦鼠的移動速度進(jìn)行合理化匹配，通過紅外線傳感技術(shù)與梯形轉(zhuǎn)彎策略，控制吸盤電腦鼠的電機(jī)轉(zhuǎn)速與運(yùn)行時間。

【Abstract】With the improvement of industrialization level， computer mouse as an automatic robot has been widely used in various fields. In order to design a computer mouse， we need to study its movement function， walking path， sensor application and other technologies， so as to ensure that the computer mouse has good stability， and then improve its speed and algorithm. This paper introduces the suction cup structure into the design and control mode of the traditional computer mouse， and rationalizes the match between the suction of the suction cup and the moving speed of the computer mouse. Through infrared sensing technology and trapezoidal turning strategy， the motor speed and running time of the computer mouse with the suction cup are controlled.

【關(guān)鍵詞】吸盤;電腦鼠;迷宮搜索;智能算法

【Keywords】suction cup; computer mouse; maze search; intelligent algorithm

【中圖分類號】TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）12-0185-02

1 引言

機(jī)器信息化與自動化是當(dāng)前科技發(fā)展的主旋律，并且隨著機(jī)器人自動化程度的提升與規(guī)模的擴(kuò)大，使其應(yīng)用范圍從高精尖領(lǐng)域逐漸滲透至日常的智能家居、物流傳輸、生物醫(yī)療等諸多方面。智能機(jī)器的廣泛應(yīng)用不僅有效控制了過多人力、物力、財(cái)力的投入，還大大提升了工作執(zhí)行的效率。但是，我國對于目前正在流行的電腦鼠的技術(shù)尚未成熟，在速度、算法及穩(wěn)定性等方面仍處于一般階段，對外部市場沒有形成較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。因此，展開了對吸盤電腦鼠的設(shè)計(jì)與控制研究，基于吸盤電腦鼠的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對其原理及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行明確，在雙閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)、梯形轉(zhuǎn)彎策略以及直道加速策略中對吸盤電腦鼠的性能進(jìn)行改進(jìn)與提高。

2 吸盤的機(jī)械設(shè)計(jì)及原理

2.1 設(shè)置吸盤的作用及原理

電腦鼠的移動速度過快會導(dǎo)致機(jī)身容易出現(xiàn)側(cè)滑與偏移的問題，所以需要通過加大電腦鼠與迷宮接觸面的摩擦力來穩(wěn)固自身運(yùn)動軌跡。但是，僅依靠增加機(jī)身重量來提升速度，則可能會加大電腦鼠轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力，造成側(cè)滑、翻倒等事故。因此，想要同時保證電腦鼠的移動速度與移動穩(wěn)定性，就需要在機(jī)身結(jié)構(gòu)上加入吸盤。吸盤的加持不僅能夠?yàn)闄C(jī)身提供適當(dāng)?shù)膲毫Γ€能夠保證電腦鼠在快速移動的過程中不出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。

當(dāng)開啟吸盤后，把機(jī)身與地面之間形成的密閉空間中的空氣抽出，同時阻擋組外部空氣的進(jìn)入，使機(jī)身與地面之間的密閉空間的壓強(qiáng)小于外界壓強(qiáng)，將機(jī)身整體壓在迷宮表面。因此，當(dāng)電腦鼠在迷宮中高速運(yùn)動時，要承擔(dān)的不僅有自身重量，還有對迷宮表面產(chǎn)生的吸力[1]。

2.2 電腦鼠吸盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸盤的結(jié)構(gòu)決定了電腦鼠對迷宮表面所產(chǎn)生的吸力大小，并在一定程度上起到減少機(jī)身碰撞與摩擦的損傷。為將吸盤電腦鼠的自重控制在合理范圍內(nèi)，將采用質(zhì)量較輕的樹脂材料作為機(jī)械架，通過質(zhì)量輕、耐性好的尼龍材料來加工電腦鼠的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，并將吸盤固定在機(jī)身的線路板上方，并在電腦鼠的底部用特制膠帶圍出一個密閉空間。吸盤中的主要機(jī)械部件有電機(jī)、機(jī)械架、扇葉。在設(shè)計(jì)吸盤時，一方面需要考慮扇葉大小與葉片角度的關(guān)系，另一方面，還要考慮出風(fēng)口孔徑的大小，通過合理的配比才能實(shí)現(xiàn)最佳的吸地效果。

3 電腦鼠的運(yùn)動控制

3.1 吸盤電腦鼠運(yùn)動控制方案研究

閉環(huán)回路系統(tǒng)的設(shè)置能夠控制左右輪的速度時刻達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)控制。在IEEE迷宮中，所有宮格的距離是一定的，電腦鼠行駛在迷宮中時，需要實(shí)時判斷行走的距離長短，以此來決定是否對自身坐標(biāo)進(jìn)行更新，想要獲得更加優(yōu)良的機(jī)身運(yùn)動性能，就需要提高速度與位置信息的精準(zhǔn)度。因此，在電腦鼠中設(shè)置吸盤控制系統(tǒng)，就是為了在具備速度閉環(huán)的同時，具備實(shí)時位置信息閉環(huán)。

關(guān)于機(jī)身位置的設(shè)定，需要通過設(shè)置中心速度積分來獲取，同時通過角度、反饋位置的公式來計(jì)算出實(shí)際值。角度可以通過位置公式進(jìn)行計(jì)算，反饋位置或角度由反饋的中心速度積分來獲取。最終，把反饋位置和設(shè)定位置之間產(chǎn)生的偏差值，反饋角度和設(shè)定角度之間產(chǎn)生的偏差值通過PI運(yùn)算的方式將偏差值進(jìn)行減小，實(shí)現(xiàn)速度、位置雙臂環(huán)的成效。當(dāng)吸盤電腦鼠處于直線運(yùn)動期間，應(yīng)始終保持在迷宮通道的中間，利用左、右傳感器來實(shí)時檢測機(jī)身與迷宮擋板的距離，若存在偏移，需及時將方向位置進(jìn)行矯正;電腦鼠吸盤采用的是開環(huán)控制策略，將吸盤的電機(jī)占空比設(shè)置為恒定數(shù)值，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速處于恒定狀態(tài)，使吸盤電腦鼠在運(yùn)動過程中發(fā)出的吸力平穩(wěn)不變。

3.2 吸盤電腦鼠紅外位置閉環(huán)

吸盤電腦鼠中的紅外傳感器能夠?qū)C(jī)身與迷宮擋板之間的距離進(jìn)行實(shí)時測算，保證電腦鼠平穩(wěn)通暢地在迷宮中運(yùn)動。線性紅外傳感器可以通過距離的不同，向機(jī)身反饋相對應(yīng)的電信號，以此明晰吸盤電腦鼠的運(yùn)動位置與狀態(tài)，并及時進(jìn)行矯正。吸盤電腦鼠在迷宮的行駛過程中，會出現(xiàn)雙側(cè)有墻、左側(cè)有墻以及右側(cè)有墻這三種情況。當(dāng)出現(xiàn)雙側(cè)有墻的情況時，通過其中一側(cè)的紅外傳感器進(jìn)行及時矯正，當(dāng)出現(xiàn)左側(cè)有墻的情況時，需要利用左側(cè)的紅外傳感器進(jìn)行機(jī)身矯正，同理，右側(cè)有墻時，需要開啟右側(cè)紅外傳感器[2]。

3.3 吸盤電腦鼠角度閉環(huán)

吸盤電腦鼠在迷宮中的運(yùn)動速度較快、輪胎與地面摩擦力不足時，會在轉(zhuǎn)彎過程中，出現(xiàn)角度偏差。正常情況下，可以通過計(jì)算吸盤電腦鼠轉(zhuǎn)彎速度的積分來獲取實(shí)際轉(zhuǎn)彎度數(shù)，但是，當(dāng)轉(zhuǎn)彎速度過快時，輪胎與地面摩擦力減小，會使機(jī)身出現(xiàn)側(cè)滑的現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度偏離理想角度。因此，需要通過吸盤電腦鼠的陀螺儀進(jìn)行轉(zhuǎn)彎角度的矯正。將陀螺儀測算出的角速度進(jìn)行積分，以此得出反饋角度。

4 吸盤電腦鼠轉(zhuǎn)彎控制及直道加速研究

4.1 吸盤電腦鼠的轉(zhuǎn)彎控制研究

4.1.1 梯形轉(zhuǎn)彎的建模及實(shí)現(xiàn)

電腦鼠設(shè)定的轉(zhuǎn)彎過程是在前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎，這種轉(zhuǎn)彎方式可以盡可能縮短轉(zhuǎn)彎時間。傳統(tǒng)電腦鼠的轉(zhuǎn)彎設(shè)定是基于矩形轉(zhuǎn)彎速度命令，這種命令要求電腦鼠在轉(zhuǎn)彎過程中，其中一個車輪迅速提高轉(zhuǎn)動速率，而另一個車輪則將速度降低，利用兩個輪子之間的轉(zhuǎn)動速度之差來完成整體機(jī)身的轉(zhuǎn)彎動作。但是，這種命令產(chǎn)生的速度曲線是階躍式變化的，對命令的響應(yīng)速度較慢，不僅對電機(jī)產(chǎn)生損害，還極易使車輪在轉(zhuǎn)彎加速過程中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，滯后電腦鼠的沖刺運(yùn)動。因此，將吸盤電腦鼠的運(yùn)動命令設(shè)置為梯形轉(zhuǎn)彎命令，這種命令產(chǎn)生的速度曲線呈斜坡變化，能夠有效穩(wěn)定吸盤電腦鼠的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。

4.1.2 梯形轉(zhuǎn)彎的軌跡仿真

考慮到梯形轉(zhuǎn)彎速度命令對電腦鼠產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)彎路徑并非四分之一圓弧，因此，需要通過MATLAB搭建仿真模型，確定電腦鼠入、出彎道時的位置。首先，用過二維直角坐標(biāo)系來表示吸盤電腦鼠的實(shí)際位置;其次，利用仿真模型將吸盤電腦鼠的運(yùn)動軌跡進(jìn)行描繪;最后，并設(shè)置不同的參數(shù)，來觀察、調(diào)整吸盤電腦鼠的入、出彎位置[3]。

4.2 吸盤電腦鼠長直道加速沖刺控制

通常情況下，為維持電腦鼠的穩(wěn)定運(yùn)動，會采取恒定速度來搜索迷宮，因此，若想取得理想成績，吸盤電腦鼠就應(yīng)在直線運(yùn)動時加速沖刺。在沖刺之前，電腦鼠需要提前測算出上下彎道之間的直線格數(shù)。當(dāng)迷宮中的格距為180nm時，吸盤電腦鼠處于直線沖刺狀態(tài)，加速度與減速度是一致的，因此，產(chǎn)生的加速位移與減速位移也是一致的。處于長直道加速過程中，已知格線的具體長短，在通過公式計(jì)算得出加速階段的末速度，以此得出吸盤電腦鼠的初始速度、加速度、末速度以及下一彎道的過彎速度，最終完成長直道的沖刺。

5 結(jié)語

綜上所述，首先，在以提升電腦鼠的運(yùn)動狀態(tài)與速度的目標(biāo)上，增加了吸盤，通過吸盤的吸地效果，說明吸盤對電腦鼠的穩(wěn)定運(yùn)動提供有效作用，進(jìn)一步完善電腦鼠的結(jié)構(gòu)組織;其次，對電腦鼠的控制方案進(jìn)行創(chuàng)新，對其角度與位置閉環(huán)作進(jìn)一步改善;最后，通過研究傳統(tǒng)矩形轉(zhuǎn)彎命令的弊端，對吸盤電腦鼠的運(yùn)動命令進(jìn)行改進(jìn)，說明了梯形轉(zhuǎn)彎命令的建模與實(shí)現(xiàn)，并分析長直道加速沖刺方案，提高吸盤電腦鼠的沖刺速度。

【參考文獻(xiàn)】

【1】袁臣虎，路亮，王歲，等.基于概率距離的電腦鼠走迷宮融合算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2018，44（09）：9-14.

【2】王麗媛，劉菊，李麗，等.電腦鼠智能行走裝置系統(tǒng)構(gòu)建[J].技術(shù)與市場，2018，25（06）：109-110.

【3】周杰.一種電腦鼠走迷宮算法[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（03）：53-55.