基于吸盘电脑鼠的设计与控制方法研究

薛艳

【摘  要】随着工业化水平的提高，电脑鼠作为自动化机器人开始被广泛应用于各个领域。设计电脑鼠需要对其运动机能、行走路径、传感器应用等多种技术进行研究，以保证电脑鼠具备良好的稳定性，之后再对其速度与算法进行针对性改进。论文在传统电脑鼠的设计与控制方式中引入吸盘结构，对吸盘吸力与电脑鼠的移动速度进行合理化匹配，通过红外线传感技术与梯形转弯策略，控制吸盘电脑鼠的电机转速与运行时间。

【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.

【關键词】吸盘;电脑鼠;迷宫搜索;智能算法

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

【中图分类号】TP242                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）12-0185-02

1 引言

机器信息化与自动化是当前科技发展的主旋律，并且随着机器人自动化程度的提升与规模的扩大，使其应用范围从高精尖领域逐渐渗透至日常的智能家居、物流传输、生物医疗等诸多方面。智能机器的广泛应用不仅有效控制了过多人力、物力、财力的投入，还大大提升了工作执行的效率。但是，我国对于目前正在流行的电脑鼠的技术尚未成熟，在速度、算法及稳定性等方面仍处于一般阶段，对外部市场没有形成较强的竞争优势。因此，展开了对吸盘电脑鼠的设计与控制研究，基于吸盘电脑鼠的机械结构，对其原理及实现方法进行明确，在双闭环运动控制系统、梯形转弯策略以及直道加速策略中对吸盘电脑鼠的性能进行改进与提高。

2 吸盘的机械设计及原理

2.1 设置吸盘的作用及原理

电脑鼠的移动速度过快会导致机身容易出现侧滑与偏移的问题，所以需要通过加大电脑鼠与迷宫接触面的摩擦力来稳固自身运动轨迹。但是，仅依靠增加机身重量来提升速度，则可能会加大电脑鼠转弯时产生的离心力，造成侧滑、翻倒等事故。因此，想要同时保证电脑鼠的移动速度与移动稳定性，就需要在机身结构上加入吸盘。吸盘的加持不仅能够为机身提供适当的压力，还能够保证电脑鼠在快速移动的过程中不出现打滑的现象。

当开启吸盘后，把机身与地面之间形成的密闭空间中的空气抽出，同时阻挡组外部空气的进入，使机身与地面之间的密闭空间的压强小于外界压强，将机身整体压在迷宫表面。因此，当电脑鼠在迷宫中高速运动时，要承担的不仅有自身重量，还有对迷宫表面产生的吸力[1]。

2.2 电脑鼠吸盘机械结构设计

吸盘的结构决定了电脑鼠对迷宫表面所产生的吸力大小，并在一定程度上起到减少机身碰撞与摩擦的损伤。为将吸盘电脑鼠的自重控制在合理范围内，将采用质量较轻的树脂材料作为机械架，通过质量轻、耐性好的尼龙材料来加工电脑鼠的机械结构部分，并将吸盘固定在机身的线路板上方，并在电脑鼠的底部用特制胶带围出一个密闭空间。吸盘中的主要机械部件有电机、机械架、扇叶。在设计吸盘时，一方面需要考虑扇叶大小与叶片角度的关系，另一方面，还要考虑出风口孔径的大小，通过合理的配比才能实现最佳的吸地效果。

3 电脑鼠的运动控制

3.1 吸盘电脑鼠运动控制方案研究

闭环回路系统的设置能够控制左右轮的速度时刻达到设定的数值，以此实现电机速度的闭环控制。在IEEE迷宫中，所有宫格的距离是一定的，电脑鼠行驶在迷宫中时，需要实时判断行走的距离长短，以此来决定是否对自身坐标进行更新，想要获得更加优良的机身运动性能，就需要提高速度与位置信息的精准度。因此，在电脑鼠中设置吸盘控制系统，就是为了在具备速度闭环的同时，具备实时位置信息闭环。

关于机身位置的设定，需要通过设置中心速度积分来获取，同时通过角度、反馈位置的公式来计算出实际值。角度可以通过位置公式进行计算，反馈位置或角度由反馈的中心速度积分来获取。最终，把反馈位置和设定位置之间产生的偏差值，反馈角度和设定角度之间产生的偏差值通过PI运算的方式将偏差值进行减小，实现速度、位置双臂环的成效。当吸盘电脑鼠处于直线运动期间，应始终保持在迷宫通道的中间，利用左、右传感器来实时检测机身与迷宫挡板的距离，若存在偏移，需及时将方向位置进行矫正;电脑鼠吸盘采用的是开环控制策略，将吸盘的电机占空比设置为恒定数值，保证电机转速处于恒定状态，使吸盘电脑鼠在运动过程中发出的吸力平稳不变。

3.2 吸盘电脑鼠红外位置闭环

吸盘电脑鼠中的红外传感器能够对机身与迷宫挡板之间的距离进行实时测算，保证电脑鼠平稳通畅地在迷宫中运动。线性红外传感器可以通过距离的不同，向机身反馈相对应的电信号，以此明晰吸盘电脑鼠的运动位置与状态，并及时进行矫正。吸盘电脑鼠在迷宫的行驶过程中，会出现双侧有墙、左侧有墙以及右侧有墙这三种情况。当出现双侧有墙的情况时，通过其中一侧的红外传感器进行及时矫正，当出现左侧有墙的情况时，需要利用左侧的红外传感器进行机身矫正，同理，右侧有墙时，需要開启右侧红外传感器[2]。

3.3 吸盘电脑鼠角度闭环

吸盘电脑鼠在迷宫中的运动速度较快、轮胎与地面摩擦力不足时，会在转弯过程中，出现角度偏差。正常情况下，可以通过计算吸盘电脑鼠转弯速度的积分来获取实际转弯度数，但是，当转弯速度过快时，轮胎与地面摩擦力减小，会使机身出现侧滑的现象，导致实际转弯角度偏离理想角度。因此，需要通过吸盘电脑鼠的陀螺仪进行转弯角度的矫正。将陀螺仪测算出的角速度进行积分，以此得出反馈角度。

4 吸盘电脑鼠转弯控制及直道加速研究

4.1 吸盘电脑鼠的转弯控制研究

4.1.1 梯形转弯的建模及实现

电脑鼠设定的转弯过程是在前进中转弯，这种转弯方式可以尽可能缩短转弯时间。传统电脑鼠的转弯设定是基于矩形转弯速度命令，这种命令要求电脑鼠在转弯过程中，其中一个车轮迅速提高转动速率，而另一个车轮则将速度降低，利用两个轮子之间的转动速度之差来完成整体机身的转弯动作。但是，这种命令产生的速度曲线是阶跃式变化的，对命令的响应速度较慢，不仅对电机产生损害，还极易使车轮在转弯加速过程中出现打滑现象，滞后电脑鼠的冲刺运动。因此，将吸盘电脑鼠的运动命令设置为梯形转弯命令，这种命令产生的速度曲线呈斜坡变化，能够有效稳定吸盘电脑鼠的转弯运动。

4.1.2 梯形转弯的轨迹仿真

考虑到梯形转弯速度命令对电脑鼠产生的实际转弯路径并非四分之一圆弧，因此，需要通过MATLAB搭建仿真模型，确定电脑鼠入、出弯道时的位置。首先，用过二维直角坐标系来表示吸盘电脑鼠的实际位置;其次，利用仿真模型将吸盘电脑鼠的运动轨迹进行描绘;最后，并设置不同的参数，来观察、调整吸盘电脑鼠的入、出弯位置[3]。

4.2 吸盘电脑鼠长直道加速冲刺控制

通常情况下，为维持电脑鼠的稳定运动，会采取恒定速度来搜索迷宫，因此，若想取得理想成绩，吸盘电脑鼠就应在直线运动时加速冲刺。在冲刺之前，电脑鼠需要提前测算出上下弯道之间的直线格数。当迷宫中的格距为180nm时，吸盘电脑鼠处于直线冲刺状态，加速度与减速度是一致的，因此，产生的加速位移与减速位移也是一致的。处于长直道加速过程中，已知格线的具体长短，在通过公式计算得出加速阶段的末速度，以此得出吸盘电脑鼠的初始速度、加速度、末速度以及下一弯道的过弯速度，最终完成长直道的冲刺。

5 结语

综上所述，首先，在以提升电脑鼠的运动状态与速度的目标上，增加了吸盘，通过吸盘的吸地效果，说明吸盘对电脑鼠的稳定运动提供有效作用，进一步完善电脑鼠的结构组织;其次，对电脑鼠的控制方案进行创新，对其角度与位置闭环作进一步改善;最后，通过研究传统矩形转弯命令的弊端，对吸盘电脑鼠的运动命令进行改进，说明了梯形转弯命令的建模与实现，并分析长直道加速冲刺方案，提高吸盘电脑鼠的冲刺速度。

【参考文献】

【1】袁臣虎，路亮，王岁，等.基于概率距离的电脑鼠走迷宫融合算法研究[J].计算机工程，2018，44（09）：9-14.

【2】王丽媛，刘菊，李丽，等.电脑鼠智能行走装置系统构建[J].技术与市场，2018，25（06）：109-110.

【3】周杰.一种电脑鼠走迷宫算法[J].电脑知识与技术，2018，14（03）：53-55.