一种自行走机器人的制作方法

本实用新型涉及智能机器人领域，更具体地说，涉及一种自行走机器人。

背景技术：

现有的自行走机器人通过左右两个驱动轮来行走。在机器人运行的过程中，经常会需要机器人沿着某一方向直线行走。传统的自行走机器人，为了实现直线行走，通常采用速度/里程的单环控制方式，仅通过保持左右两轮的转速一致或里程一致，即判定机器人在沿着直线行走。然而，当两个驱动轮的负载条件不一致(如两轮处于不同的地面或者负重不一样等)或者其他条件导致两个驱动轮的速度不一致，会导致机器人的行走的实际方向与预期的方向出现偏差，从而机器人无法实现预计的路径行走工作，路径规划难以执行。

直线行走是进一步实现机器人导航以及路径规划等复杂功能的前提和基础，而现有的直线行走方式存在缺陷，因此需要对机器人的结构设置等进行改进。

技术实现要素：

本实用新型为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供了一种自行走机器人，该自行走机器人不仅设置有转速检测装置，还设置有角度检测装置，通过多环控制的方式确保机器人能够排除干扰，准确、稳定地沿着直线行走。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种自行走机器人，包括机身、主控芯片、角度检测装置以及至少两个驱动轮，至少两个驱动轮分别由电机驱动，电机配置有转速检测装置，主控芯片与角度检测装置、转速检测装置以及电机电气连接，角度检测装置用于检测机身与预设方向之间的偏差角度并产生角度信号，转速检测装置用于检测电机的转速并产生转速信号，主控芯片根据角度信号和转速信号向电机发送转速调节信号。

进一步地，主控芯片根据转速信号确定实际转速，主控芯片以偏差角度为第一输入参数，输出一目标转速；主控芯片根据目标转速和实际转速计算出偏差转速，主控芯片以偏差转速为第二输入参数，向电机发送转速调节信号。

进一步地，主控芯片根据角度信号确定实际角速度，主控芯片以偏差角度为第三输入参数，输出一目标角速度；主控芯片根据目标角速度和实际角速度计算出偏差角速度，主控芯片以偏差角速度为第四输入参数，输出一目标转速；主控芯片根据转速信号确定实际转速，主控芯片根据目标转速和实际转速计算出偏差转速，主控芯片以偏差转速为第五输入参数，向电机发送转速调节信号。

进一步地，转速调节信号为电压脉宽调制的占空比。

进一步地，角度检测装置为陀螺仪或电子罗盘。

进一步地，转速检测装置为里程计。

进一步地，电机为无刷电机。

进一步地，自行走机器人为管家机器人或扫地机器人。

进一步地，自行走机器人还设置有随动轮。

进一步地，随动轮位于机身正方向所在的竖直平面上，至少两个驱动轮关于竖直平面对称设置。

本实用新型技术方案的有益效果如下：

本实用新型所揭示的自行走机器人，其主控芯片能够根据角度信号和转速信号对电机的转速进行调节，相较于传统的仅通过转速对电机进行调节的方式，能够排除干扰，更加准确地纠正机器人的偏差角度，从而确保机器人按照直线行走。

附图说明

图1是本实用新型所述的自行走机器人的硬件架构图；

图2是本实用新型所述的自行走机器人其中一实施例的信号流向图；

图3是本实用新型所述的自行走机器人又一实施例的信号流向图；

图4是本实用新型所述的自行走机器人其中一实施例的电机控制示意图；

图5是本实用新型所述的自行走机器人其中一实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施例对本实用新型所提供的技术方案做一详细的描述：

图1-5揭示了本实用新型所述自行走机器人的具体实施例。如图1所示的，揭示了本实用新型所述自行走机器人的硬件架构图。该实施例中，自行走机器人包括：机身101、主控芯片102、角度检测装置103以及至少两个驱动轮，驱动轮104和驱动轮105分别由电机驱动，电机配置有转速检测装置，主控芯片102与角度检测装置103、转速检测装置以及电机电气连接，角度检测装置103用于检测机身101与预设方向之间的偏差角度并产生角度信号，转速检测装置用于检测电机的转速并产生转速信号，主控芯片102根据角度信号和转速信号向电机发送转速调节信号。其中，驱动轮104和驱动轮105分别设置有电机，并由相应的电机驱动，电机、驱动轮以及转速检测装置通常组装为一体，而电机的转速参数一般也会换算为驱动轮的里程和/或速度参数，角度检测装置测量所得的偏差角度也将根据需要转换为角速度参数。由于电机和转速检测装置与主控芯片102电气连接，转速检测装置在测出电机的转速后能够将转速信号传送至主控芯片102处；而当主控芯片102向电机发送转速调节信号时，即可通过对电机转速的调节，实现对驱动轮104、驱动轮105的速度和/或里程的控制。

在现有技术中，判断和维持机器人沿直线行走的依据在于，左右两轮的速度和/或里程相同。由于不涉及角度判断，该种单环控制的方式存在明显缺陷，如两轮遇到不同材质的地面，或处于一高一低的爬坡状态下，此时左、右两轮的速度和/或里程虽然是一致的，但两轮在各自行进方向上实际发生的位移则出现了偏差，导致一边轮子的位移多，一边轮子的位移少，从而使机器人在预设方向上发生偏转。而本实施例中的自行走机器人，由于引入了角度检测装置103，能够检测到机器人相对于预设方向的偏差角度，故其不仅能够依靠传统的速度和/或里程参数判断并维持机器人的直线行走，同时还会根据角度参数进一步进行判断和调节，从而确保了机器人不会因负载失衡、爬坡、打滑等异常情形导致机器人误判而偏离航线。

图2是本实用新型所述的自行走机器人其中一实施例的信号流向图。该实施例中，采用PID控制(比例积分微分控制)方法，以速度环作为内环，角度环作为外环，对自行走机器人机身的偏转方向进行了两环控制。该实施例中，主控芯片根据转速信号确定实际转速，主控芯片以偏差角度为第一输入参数，输出一目标转速；主控芯片根据目标转速和实际转速计算出偏差转速，主控芯片以偏差转速为第二输入参数，向电机发送转速调节信号。其中，外环是以角度作为反馈量，其控制的逻辑在于，角度检测装置能够感应到机身的偏转方向，并根据偏转方向与预设方向测算出机身与预设方向之间的偏差角度，主控芯片以偏差角度作为第一输入参数，根据PID控制方法对速度的变化量进行测算，输出一目标速度(电机的目标转速与驱动轮的目标速度可相互转化)，从而实现角度—速度的外环控制。而对于内环，则是以速度作为反馈量，其控制的逻辑在于，转速检测装置能够检测出驱动轮的实际速度(通过检测电机的实际转速)，而外环已经输出了所需要达到的目标速度，主控芯片根据目标速度和实际速度即可计算出偏差转速，主控芯片以偏差转速作为第二输入参数，向电机发送转速调节信号。其中，所述转速调节信号为电压脉冲调制的占空比。主控芯片会根据PID控制方法对PWM占空比(电压脉宽调制的占空比)进行调节，进而控制电机的转速，从而实现速度—速度的内环控制。在经过两环控制之后，最终左、右两轮的速度会按照控制要求出现差异，从而使机身朝着预设方向回归。

图3是本实用新型所述的自行走机器人又一实施例的信号流向图。该实施例采用角度—角速度—速度的外中内三环控制方法，相较于角度—速度两环控制方法，具有更加稳定的控制性能，同时在抗干扰性上也具有更加出色的表现。该实施例中，主控芯片根据角度信号确定实际角速度，主控芯片以偏差角度为第三输入参数，输出一目标角速度；主控芯片根据目标角速度和实际角速度计算出偏差角速度，主控芯片以偏差角速度为第四输入参数，输出一目标速度；主控芯片根据转速信号确定实际转速，主控芯片根据目标转速和实际转速计算出偏差转速，中控芯片以偏差转速为第五输入参数，向电机发送转速调节信号。该实施例中，同样采用PID控制(比例积分微分控制)方法，以速度环作为内环，角速度环作为中间环，角度环作为外环，对自行走机器人机身的偏转方向进行了三环控制。该实施例中，主控芯片根据角度信号确定实际角速度，主控芯片根据转速信号确定实际转速，主控芯片以偏差角度为第三输入参数，输出一目标角速度；主控芯片根据目标角速度和实际角速度计算出偏差角速度，主控芯片以偏差角速度为第四输入参数，输出一目标转速；主控芯片根据目标转速和实际转速计算出偏差转速，主控芯片以偏差转速作为第五输入参数，向电机发送转速调节信号。其中，外环是以角速度为反馈量，其控制的逻辑在于，角度检测装置能够感应到机身的偏转方向，并根据偏转方向与预设方向测算出机身与预设方向之间的偏差角度，主控芯片以偏差角度作为第三输入参数，根据PID控制方法对角速度的变化量进行测算，输出一目标角速度(目标角速度根据偏差角度/时间换算获得)，从而实现角度—角速度的外环控制；而对于中间环，则是以角速度作为反馈量，其控制的逻辑在于，主控芯片能够根据角度信号确定实际角速度，而外环已经输出了所需要达到的目标角速度，主控芯片根据目标角速度和实际角速度可计算出偏差角速度，主控芯片以偏差角速度作为第四输入参数，根据PID控制方法对速度的变化量进行测算，输出一目标速度(电机的目标转速与驱动轮的目标速度可相互转化)，从而实现角速度—速度的中间环控制；而对于内环，则是以速度作为反馈量，其控制的逻辑在于，转速检测装置能够检测出驱动轮的实际速度(通过检测电机的实际转速)，而中间环已经输出了所需要达到的目标速度，主控芯片根据目标速度和实际速度即可计算出偏差转速，主控芯片以偏差转速作为第五输入参数，向电机发送转速调节信号。主控芯片会根据PID控制方法对PWM占空比(电压脉宽调制的占空比)进行调节，进而控制电机的转速，从而实现速度—速度的内环控制。最终左、右两轮的速度会按照控制要求出现差异，机身按照一定的角速度向预设方向偏转，从而使记恨朝着预设方向回归。

为了更清楚地揭示三环控制以及PID控制方法的原理，将结合数据对本实用新型的又一实施例进行阐述：

例如自行走机器人两个驱动轮的一个左轮(位于机身左侧)，一个右轮(位于机身右侧)，定义顺时针旋转的角度为正，机器初始角度为0度，初始角速度为0度/秒，两个驱动轮的实际速度为3000r/min。三个PID控制环都只采用P(比例)控制，外环、中环、内环的P1、P2、P3系数分别取为1、10、10，来简单说明3环的控制过程。当机器人在直线行走过程中，机身角度变大10度(即机身顺时针旋转10度)，这时外环的PID调节器(PID调节器实际为按照PID调节算法执行控制程序的主控芯片)的第三输入参数偏差角度(0-10)为-10度，这时PID调节器的输出＝P1*(-10)＝-10，也就确定了需要设定的机身的角速度＝-10度/秒。初始角速度(0度)与目标角速度的差值作为中间环PID调节器的第四输入参数(目标角速度为-10度/秒，实际角速度为0，第四输入参数即为-10度/秒)，PID调节器的输出＝-10*10＝-100，速度的调节值＝-100r/min(需要右轮的给定速度增加100r/min，左轮的给定速度减小100r/min)，然后根据目标速度与实际速度的差值作为第五输入参数调整PWM的占空比。

上述的例子给出了在只采用P(比例)控制下的整个工作流程，PID控制下的工作流程跟上述流程是一致的，不同的是由输入到输出的计算公式的不同，如下：

给定值rin(t)；

当前值rout(t)；

偏差值err(t)＝rin(t)-rout(t)；

PID控制方法的计算公式如下：

其中，u(x)为PID的输出值，T为积分时间(需要人为的设定好合适的参数)，Td为微分时间(需要人为的设定好合适的参数)。

本实用新型所揭示的自行走机器人不仅能够不断地修正自身方向，使机器人沿着预设方向直线前进；另外，还能够在弓形行走的过程中，调整由于转弯不到位引起的角度偏差。在弓形行走的实施例中，即使转弯之后的方向与希望达到的方向存在偏差，只要把希望达到的方向作为机器人的预设方向，机器人就能够快速的把自身的方向调整到预设方向。例如，机器人的转弯误差为1度，初始角度为0度。弓形行走时，首先机器人沿着初始的0度方向行走一段距离，然后旋转90度，由于旋转控制精度的原因，此时只旋转了89度，然后机器人继续沿着89度的方向直线前进。此时，如果按照本实用新型所揭示的技术方案进行调整，转弯之后，将预设方向由原来的0度重新设置为90度，那么机器人就能够迅速调整机身方向，根据转弯误差造成的1度的偏差角度，对驱动轮的速度进行调节，使机身朝着90度方向偏转，从而消除旋转控制精度造成的偏离航线问题。

在本实用新型其中一实施例中，所述角度检测装置为陀螺仪或电子罗盘。

在本实用新型其中一实施例中，所述转速检测装置为里程计。里程计与驱动轮的电机组合安装，不仅可以获得驱动轮的里程数据，还能够换算得到电机的转速参数。

在本实用新型其中一实施例中，所述电机为无刷电机，无刷电机能够反馈自身的转速参数，可以与里程计配合使用获得驱动轮的里程和速度，也可以单独使用，直接获取无刷电机的转速数据。

图4是本实用新型所述自行走机器人其中一实施例的电机控制示意图。该实施例中，线路板上设置有电源模块402以及驱动电路403，其中电源模块402向驱动电路403供电，里程计406检测电机405的转速，并将产生的转速信号传输至主控芯片401，主控芯片401将根据转速信号，结合角度检测装置产生的角度信号，通过驱动电路403对电机405的转速进行控制，从而实现对自行走机器人机身偏转角度的调节。其中，电机405、里程计406与驱动轮404组合安装在一起，通过电机405的转速可换算出驱动轮404的速度。

在本实用新型的其中一实施例中，所述自行走机器人为管家机器人或扫地机器人。其可以作为厨房管家机器人执行烹饪指导、厨电控制等服务功能，也可以作为扫地机器人对房间进行打扫，执行清洁功能。

图5是本实用新型所述的自行走机器人其中一实施例的结构示意图。该实施例中的自行走机器人501，包括左驱动轮502和右驱动轮503。该自行走机器人501还设置有随动轮504。自行走机器人501内设线路板505，线路板505上设置有主控芯片506以及电子陀螺仪507，电子陀螺仪507可以检测自行走机器人501的偏转角度以及偏转的角速度。图5中虚线箭头所示的方向为自行走机器人501的机身正方向。该实施例中，随动轮504位于机身正方向所在的竖直平面上，左驱动轮502和右驱动轮503关于所述竖直平面对称设置。

上述具体实施方式只是用于说明本实用新型的设计方法，并不能用来限定本实用新型的保护范围。对于在本实用新型技术方案的思想指导下的变形和转换，都应该归于本实用新型保护范围以内。