1、DA42NG飛機空調系統組成及日常維護DA42NG飛機空調系統組成及日常維護2457202111-0060-003DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2021.11.028【Abstract】This paper discusses the analysis and research process and improvement scheme of the programming robot with DC motor deviation. Conventionally， a typical deviation between the in-situ turning

2、angle and the straight-line running angle for the robot is greater than 15 degrees， and the combined angular deviation can be 30 degree and higher， which is beyond the acceptable tolerance of children student user programming education. Based on analysis and statistic testing data， it is found that

3、the deviation is resulting from the large difference between the left and right DC motor speeds， the interference of the gear box structure， the lack of accurate calibration mechanism， and the high speed starting and stopping. To improve the performance， the following has been implemented： Firstly，

4、control the DC motor speed consistency for all incoming motor products; Secondly， correct and correct the structural interference during products assembly; thirdly， add incremental opto-interrupter and PID algorithm to realize real time angle control and correction; Also， step based starting and sto

5、pping mechanism is implemented. With these systematic solutions in place， the robot running deviation on a flat ground has been reduced to neglectable， and the users experience improved greatly， which secured the mass-production quality assurance and timely to market demands.【Key words】Programming r

6、obot; Sensor; Gear; Opto interrupter; PID algorithm; Angle deviation1 項目背景隨著人工智能時代的到來，特別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2021年初的1號文件就已公布，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。編程是兒童思索與動手實踐相結合的課程，不但能培育孩子們的規律思維能力，還能在分析問題與解決問題過程中激發孩子無限的想象力與制造力。葡萄

7、緯度科技有限公司所創導的理念是“科技陪伴成長，在2021年開發了這款編程機器人產品，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。用戶可以依據說明書或APP的指導搭建出自己喜愛的機器人形象，然后用特別清晰而簡潔的圖形化程序語言去編程操縱機器人，通過搭建與制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歡樂。2 工作原理 編程機器人支持手機或平板通過藍牙無線通信，安裝APP遙控或編程操作可操縱編程機器人終端。機器人實行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為2輪運動模

8、式，支持前后直線運動，也可差速操縱機器人曲線運動，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，并且接受MCU采集碼盤數據，然后在過程操縱中，按偏差的比例P、積分I和微分D進行操縱PID算法生成PWM波，經過馬達驅動芯片操縱左右雙通道的直流電機，再經過齒輪結構中，給齒輪設置肯定的減速比進行傳動，實現了機器人可同速或差速操縱機器人的運動軌跡操作。如圖1。3 難點分析與討論這款編程啟蒙機器人在研發測試過程中在發覺幾大難點問題，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生跑偏。基于市場和本錢的壓力，此款機器

9、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行實現精確定位操縱。如何在操縱本錢的同時實現機器人產品的一致性及性能的穩定，成為了這個項目能否勝利的關鍵。針對這個問題，本文作了深入的分析與討論。3.1 測試方法與數據分析3.1.1 直線偏移測試對編程機器人在葡萄試驗室平坦地板進行直線運行測試發覺，編程機器人在啟動、停止及恒速運行時都會出現不同角度偏離。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，結果發覺最大偏離值達1米左右，偏離角度在18度左右。3.1.2 原地旋轉偏移測試在葡萄科技試驗室平坦地板，編程機器人在負載330g在負重下，運行

10、速度是二檔，原地分別旋轉90度，180度，270度及360度測試發覺，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。4 緣由分析及解決方案編程機器人跑偏問題是系統性問題，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，發覺由于兩邊輪子轉速不一致，最大差異值到達31圈，導致了跑偏的現象，通過進一步對比數據分析，有以下四點緣由及對應的解決方案如下：緣由一：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，會出現一邊快，一邊慢，速度不同步導致機器人運行時始終會偏向一邊。用馬達測試儀測試7組直流電機轉速表1，發覺最

11、大偏差達2600RPM，已超出規格，所以在直線運行時就會出現向左或向右運行時的偏移現象。解決方案：首先從直流電機生產廠原端管控電機線芯的原材料，優化生產制程與工藝，管控生產的一致性。其次是，在直流電機工廠端，要求增加馬達測試儀器，針對每一個生產出來的直流電機測試空轉電流及轉速并把數據記錄好，給直流電機在規格內按速度分檔，確保全部的直流電機都在規格內，左右兩邊的轉速差操縱在500RPM以內。緣由二：與齒輪箱的結構干預有關，通過小批量測試發覺，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。這種阻力偏大，不一致的齒輪箱，在直線運

12、行時也同樣會出現跑偏問題。針對結構干預問題，測試發覺齒輪箱支架不平坦，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擺，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。同步制定好生產組裝流程及方法，按照測試通過的扭力，定義好工人鎖螺絲扭力，保證產品的一致性。緣由三：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精確讀齒輪箱取旋轉角度及直線偏移校準，不能準時修正角度會導致跑偏問題。另外，把速度調整方式接受

13、PID調整，這種調整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，用于軟件端精確讀齒輪箱取旋轉角度及直線偏移校準、準時修正對左右兩輪速度的操縱，使左右兩輪速度一致。另外，為更好的解決PID調整由于誤差的累積造成的2個輪子的行程差異這一問題，需優化PID參數直到合適的值，機器人才能在平坦的地面直線運行。緣由四：沒有對機器人啟動和停止做出相對應的優化，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即降低速度為零會由于制動力矩不同，導致停止時的左右輪

14、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，在軟件端優化成階梯式啟動圖3，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，直至到達設定速度，依此縮小每個階段產生的距離偏差，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即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，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。增量式PID操縱依據位置式PID操縱公式，寫出n-1時刻的操縱量：PID速度操縱調整

15、代碼如下：解決方案測試結果：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，在葡萄科技試驗室平坦地板經過抽樣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。測試機器人負載330g直線運行3米，如圖5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，測試結果符合產品的測試標準，同時也滿足了兒童用戶編程教育的使用需求。5 結論在整個項目中進行了大量的測試分析與討論得出，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性問題，需要從系統的角度出發，結合原材料、電子硬件、機械結構與軟件操縱系統，才能徹底解掉編程機器人在平坦地面的跑偏問題。另外，由于產品整體本錢的考量，選用本錢較低的直流電機，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格內且在兩者轉速差在500RPM內，優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。在研發初期，設計方案存在肯定的缺陷，首先在硬件設計上缺少碼盤與光電開關，不能更好的優化與解決問題。經過測試與研發團隊的快速測試與分析后，準時增加