本文論述了編程機器人搭配直流電機跑偏問題的分析與研究過程及改善方案。常規(guī)方案下，機器人原地轉彎角度與直線運行角度偏差都大于15度，在組合運行時的角度偏角度最大偏差大于30度，無法滿足兒童（學生）用戶編程教育的使用需求。通過系統(tǒng)的測試分析發(fā)現(xiàn)，跑偏的原因是左右兩邊直流電機轉速差異偏大、齒輪箱結構干涉、缺少精確的校準機制及最大速度的啟停。針對以上現(xiàn)象，首先在原材料端管控直流電機轉速的一致性;結構干涉修正及裝配的一致性管控;硬件端增加增量式碼盤與光電開關;軟件端加入PID算法，控制轉彎角度，實現(xiàn)機器人在運行中實時對角度進行修正，同時增加階梯式啟動與停止方案。此套系統(tǒng)性方案解決了編程機器人在平整地面直線運行時的跑偏問題，極大的提升了用戶對產(chǎn)品的體驗，為該產(chǎn)品按時量產(chǎn)和及時推向了市場提供了必要條件。
隨著人工智能時代的到來，非常多的工作崗位將會被機器人所取代。家長也意識到了這一點，為了不讓自己的孩子輸在起跑線，從小學，更有甚者從學前階段就開始讓孩子學習編程。同時，在國家層面，教育部在2018年初的1號文件就已發(fā)布，將人工智能納入了中小學的課程，也就是說STEAM教育將與學科課程并列設置成為中小學生的一門“必修課”。編程是兒童思考與動手實踐相結合的課程，不但能培養(yǎng)孩子們的邏輯思維能力，還能在分析問題與解決問題過程中激發(fā)孩子無限的想象力與創(chuàng)造力。
葡萄緯度科技有限公司所創(chuàng)導的理念是“科技陪伴成長”，在2018年開發(fā)了這款編程機器人產(chǎn)品，這是一款移動平臺和百變積木相結合的機器人，在主控上以積木拼搭出不同形象呈現(xiàn)。用戶可以根據(jù)說明書或APP的指導搭建出自己喜歡的機器人形象，然后用非常清晰而簡單的圖形化程序語言去編程控制機器人，通過搭建與創(chuàng)造實體機器人與對應APP的結合，讓孩子在玩的過程中逐步提升動手能力和編程能力，益智益趣，可以讓孩子們充分體驗在玩中學習的快樂。
編程機器人支持手機或平板通過藍牙無線通信，安裝APP遙控或編程操作可控制編程機器人終端。機器人采取2輪（左右均為驅動輪）加2個萬向輪的4輪子方案。2個萬向輪可以移除變?yōu)?輪運動模式，支持前后直線運動，也可差速控制機器人曲線運動，左右轉向，原地轉向等操作。
編程機器人搭載的處理器為ARM Cortex-M3的32位的微處理器，通過藍牙模塊收到APP運動指令，并且采用MCU采集碼盤數(shù)據(jù)，然后在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制（PID算法）生成PWM波，經(jīng)過馬達驅動芯片控制左右雙通道的直流電機，再經(jīng)過齒輪結構中，給齒輪設置一定的減速比進行傳動，實現(xiàn)了機器人可同速或差速控制機器人的運動軌跡操作。如（圖1略）。
這款編程啟蒙機器人在研發(fā)測試過程中在發(fā)現(xiàn)幾大難點問題，其中最主要的問題集中在機器人在角度旋轉與直線運動時會發(fā)生跑偏?；谑袌龊统杀镜膲毫Γ丝顧C器人裝配使用的是價格相對低廉的直流電機，與步進電機相比電流電機不可實現(xiàn)精確定位控制。如何在控制成本的同時實現(xiàn)機器人產(chǎn)品的一致性及性能的穩(wěn)定，成為了這個項目能否成功的關鍵。針對這個問題，本文作了深入的分析與研究。
對編程機器人在葡萄實驗室平整地板進行直線運行測試發(fā)現(xiàn)，編程機器人在啟動、停止及恒速運行時都會出現(xiàn)不同角度偏離。編程機器人不按預編程所設定的路線向正前方直線行駛， 在2檔速度運行，測試3米的運行距離，結果發(fā)現(xiàn)最大偏離值達1米左右，偏離角度在18度左右。
在葡萄科技實驗室平整地板，編程機器人在負載330g在負重下，運行速度是二檔，原地分別旋轉90度，180度，270度及360度測試發(fā)現(xiàn)，旋轉90度偏差有15度，旋轉180度偏差有17.4度，旋轉270度偏差有25度，旋轉360度偏差有34.6度。
編程機器人跑偏問題是系統(tǒng)性問題，通過對于樣品進行抽樣測試，分別測試從一檔到五檔的速度，發(fā)現(xiàn)由于兩邊輪子轉速不一致，最大差異值達到31圈，導致了跑偏的現(xiàn)象，通過進一步對比數(shù)據(jù)分析，有以下四點原因及對應的解決方案如下：
原因一：左右兩邊直流電機轉速偏差大于500RPM時，會直接影響左右輪的輸出，會出現(xiàn)一邊快，一邊慢，速度不同步導致機器人運行時一直會偏向一邊。用馬達測試儀測試7組直流電機轉速（表1略），發(fā)現(xiàn)最大偏差達2600RPM，已超出規(guī)格，所以在直線運行時就會出現(xiàn)向左或向右運行時的偏移現(xiàn)象。
解決方案：首先從直流電機生產(chǎn)廠原端管控電機線芯的原材料，優(yōu)化生產(chǎn)制程與工藝，管控生產(chǎn)的一致性。其次是，在直流電機工廠端，要求增加馬達測試儀器，針對每一個生產(chǎn)出來的直流電機測試空轉電流及轉速并把數(shù)據(jù)記錄好，給直流電機在規(guī)格內按速度分檔，確保所有的直流電機都在規(guī)格內，左右兩邊的轉速差控制在500RPM以內。
原因二：與齒輪箱的結構干涉有關，通過小批量測試發(fā)現(xiàn)，在測試前手擰左右輪，阻力相差很大。同步使用扭力測試儀器確認，與手擰結果一致，兩邊阻力偏差較大，有大于10N的樣品出現(xiàn)。這種阻力偏大，不一致的齒輪箱，在直線運行時也同樣會出現(xiàn)跑偏問題。針對結構干涉問題，測試發(fā)現(xiàn)齒輪箱支架不平整，齒輪箱支架很難保證同一平面上，導致齒輪箱裝在整機上會搖晃，造成軸與支架間存在摩擦阻力，摩擦力越大，電流越大，造成偏移也越大，還有燒電機的風險。
解決方案：設計上調整軸與支架的間隙，增加支架Rib， 加強支架的強度，使支架不易變形，確保齒輪箱支架在同一平面上。同步制定好生產(chǎn)組裝流程及方法，依照測試通過的扭力，定義好工人鎖螺絲扭力，保證產(chǎn)品的一致性。
原因三：硬件方案中沒有加入增量式碼盤與光電開關，底層軟件端由于沒有增量式碼盤與光電開關用于準確讀齒輪箱取旋轉角度及直線偏移校準，不能及時修正角度會導致跑偏問題。另外，把速度調節(jié)方式采用PID調節(jié)，這種調節(jié)方式由于誤差的累積也會造成2個輪子的行程差異，導致跑偏
解決方案：在硬件方案中加入增量式碼盤與光電開關（圖2略），用于軟件端準確讀齒輪箱取旋轉角度及直線偏移校準、及時修正對左右兩輪速度的控制，使左右兩輪速度一致。另外，為更好的解決PID調節(jié)由于誤差的累積造成的2個輪子的行程差異這一問題，需優(yōu)化PID參數(shù)直到合適的值，機器人才能在平整的地面直線運行。
原因四：沒有對機器人啟動和停止做出相對應的優(yōu)化，導致跑偏。因為啟動時直接到達較大速度，會擴大左右兩邊直流電機的轉速偏差，導致機器人啟動時角度偏差較大。另外，在機器人停止時直接從最大速度立刻降低速度為零會由于制動力矩不同，導致停止時的左右輪的行程差異較大。
解決方案：為解決啟動時直接到達較大速度導致機器人啟動時角度偏差較大這一問題，在軟件端優(yōu)化成階梯式啟動（圖3略），把啟動分為多個階段，直流電機在每個階段到達設定的速度后，再增加速度，直至達到設定速度，依此縮小每個階段產(chǎn)生的距離偏差，目的是修正啟動偏差。另外在停止時電機制動力矩差異導致了機器人停止時的車身偏移，造成停止時跑偏。停止時直接從最大速度立刻降低速度為零會由于制動力矩不同，導致停止時的左右輪的行程差異較大。緩慢降低速度，使用階梯式停止（圖4略），保持兩輪速度一致，當速度降到較小時，機器人再把速度降為零。
根據(jù)位置式PID控制公式，寫出n-1時刻的控制量：（圖表略）
把上述的直流電機、電子硬件、機械結構與軟件的四點解決方案導入后，在葡萄科技實驗室平整地板經(jīng)過抽樣5臺編程機器人測試。分別測試旋轉90/180/270/360度，計算出偏差角度都小于3度（表2略）。測試機器人負載330g直線運行3米，如（圖5略）所示偏移角度測試示意圖，計算出跑偏的角度小于5度（表3略），測試結果符合產(chǎn)品的測試標準，同時也滿足了兒童用戶編程教育的使用需求。
在整個項目中進行了大量的測試分析與研究得出，編程機器人直線跑偏問題不是一個單純的硬件或者軟件問題，它屬于一個綜合性的系統(tǒng)性問題，需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，結合原材料、電子硬件、機械結構與軟件控制系統(tǒng)，才能徹底解掉編程機器人在平整地面的跑偏問題。另外，由于產(chǎn)品整體成本的考量，選用成本較低的直流電機，對解決跑偏問題也增加了難度。從直流電機的原材料端開始，管控電機的輸出轉速，匹配左右兩邊的直流電機在設計的規(guī)格內且在兩者轉速差在500RPM內，優(yōu)化了結構的軸與支架間隙及支架強度的設計，找出綜合的解決方案，在硬件上增加光電開關與碼盤。
在研發(fā)初期，設計方案存在一定的缺陷，首先在硬件設計上缺少碼盤與光電開關，不能更好的優(yōu)化與解決問題。經(jīng)過測試與研發(fā)團隊的快速測試與分析后，及時增加碼盤與光電開關。有了硬件基礎之后，底層FW從啟動，運行到停止完整的過程進行了優(yōu)化，把急啟、急剎調整成階梯式啟停，在實時的運行過程中對角度及時修正。通過充分的測試、分析及優(yōu)化，跑偏問題得到了及時的發(fā)現(xiàn)與解決，保障了產(chǎn)品的品質的同時，也推動了產(chǎn)品的上市時間。
通過以上的分析和研究，雖然解決了編程機器人在平整地面的跑偏問題，但還是有局限性，特別在不平整的地面如何能使機器人直線運行，創(chuàng)造更多場景的可玩性。后續(xù)會繼續(xù)深入研究機器人在不平整的地面運行，方向是增加6軸加速度傳感器，提供方向參考。
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