摘要：本設(shè)計(jì)研究了一種全向輪式運(yùn)動(dòng)控制的控制算法、完成了硬件部分的設(shè)計(jì)和搭建，包括慣性導(dǎo)航模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊的整體硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全向輪控制系統(tǒng)的坐標(biāo)定位、運(yùn)動(dòng)控制的整套算法

關(guān)鍵詞：全向輪,機(jī)器人,運(yùn)動(dòng)控制

0引言

近年來(lái)，全向輪式機(jī)器人移動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)使其技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。全向輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式不存在非完整約束，它可以向任意方向做直線運(yùn)動(dòng)而不需要事先作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且在以直線運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的過(guò)程中同時(shí)可以做自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，從而達(dá)到終態(tài)所需的姿態(tài)角(這樣，就使得全向輪式機(jī)器人在比賽中表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)快速靈活、易于控制等優(yōu)點(diǎn))。隨著工業(yè)機(jī)器人中移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人的靈活性也越來(lái)越凸現(xiàn)其重要性。因此，目前全向輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式已逐漸成為一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的發(fā)展趨勢(shì)。

1全向輪及其運(yùn)動(dòng)控制底盤形式

1.1全向輪簡(jiǎn)介

全向輪包括輪轂和從動(dòng)輪，該輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有3個(gè)或3個(gè)以上的輪轂齒，每?jī)蓚€(gè)輪轂齒之間裝設(shè)有一從動(dòng)輪，該從動(dòng)輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。全向輪是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、可以在較差的路況上運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

圖1全向輪結(jié)構(gòu)示意

如上圖所示，它由兩層構(gòu)成，每一層的輪緣上均勻分布6個(gè)小滾子(件3)，小滾子的母線與輪緣線一致，兩層之間錯(cuò)開30°布置，使內(nèi)外兩層小滾子的母線相互銜接形成一個(gè)完整的圓周。這樣，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各層上的滾子可以交替接觸地面，保證滾動(dòng)的連續(xù)性。當(dāng)然，輪子也可以由三層構(gòu)成。這種全方位輪結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，輪上的小滾子受力較好、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，機(jī)構(gòu)效率較高、承載能力較強(qiáng)．整個(gè)輪既可以在驅(qū)動(dòng)力距作剛下向前滾動(dòng)．又可以橫向滑移．由幾個(gè)這種輪加以組合，很容易使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。

1.2全向輪式運(yùn)動(dòng)控制方式的底盤形式

對(duì)于全向輪式運(yùn)動(dòng)控制方式的底盤形式，主要有四輪和三輪兩種底盤形式。由于四輪底盤的平面性不夠好，因此需要懸掛系統(tǒng)解決。而懸掛系統(tǒng)卻又會(huì)帶來(lái)底盤剛度不夠的問(wèn)題，并且會(huì)耗費(fèi)電機(jī)資源，故而不選擇四輪全向底盤。

圖2三輪120°全向輪底盤設(shè)計(jì)圖

三輪全向底盤的安裝方式有T形與120°對(duì)稱安裝兩種方式。而T形全向輪底盤的靈活性和直線性被其安裝方式所限制，且沒有合適的控制方法對(duì)其進(jìn)行理論上的指導(dǎo)。因此，經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)踐，本設(shè)計(jì)采取了三輪120°安裝全向輪底盤，如圖2。

2基于坐標(biāo)的全向輪式運(yùn)動(dòng)控制方式的路徑規(guī)劃算法

對(duì)于全向輪的運(yùn)動(dòng)控制，需要研究的主要有以下幾個(gè)方面：任意位置的坐標(biāo)定位、任意方向及路線的行走控制。

2.1任意位置的坐標(biāo)定位

對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的坐標(biāo)定位，最重要的信息量有三個(gè)：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、系統(tǒng)當(dāng)前角度。以向右向上為正建立X、Y坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)向右旋轉(zhuǎn)角度為正。

首先，需要通過(guò)一定的測(cè)量工具來(lái)獲得這三個(gè)重要量。對(duì)于坐標(biāo)X、Y的獲取，我們購(gòu)買了小型的全向輪，將它同軸的裝在歐姆龍的光電編碼器的軸上。之后我們將這一套碼盤系統(tǒng)以垂直形式分別裝在X、Y方向上，當(dāng)碼盤系統(tǒng)隨車身一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們就能獲得車身系統(tǒng)的X、Y坐標(biāo)。對(duì)于車身的角度方向，我們選擇了光纖陀螺儀作為導(dǎo)航儀器。

對(duì)于碼盤全向輪，我們購(gòu)買了兩種外觀、尺寸的加以比較、實(shí)驗(yàn)，如圖3。

圖3兩種碼盤用小型全向輪

圖4.33兩種碼盤用小型全向輪

經(jīng)過(guò)實(shí)際的比較和試用，第一種全向輪由于小輥?zhàn)拥牟馁|(zhì)問(wèn)題容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，測(cè)量過(guò)程中丟數(shù)較為嚴(yán)重。而第二種全向輪小輥?zhàn)訛橄鹉z材質(zhì)，雖然輪子個(gè)數(shù)較少，但測(cè)量精度高于第一種全向輪。因此，選擇了第二種全向輪。其次，系統(tǒng)需要一種算法來(lái)實(shí)時(shí)更新機(jī)器人當(dāng)前的坐標(biāo)，本設(shè)計(jì)編寫了適合全向輪機(jī)器人的坐標(biāo)更新算法。

本設(shè)計(jì)將所編寫的算法寫入了一個(gè)函數(shù)FLSUpdate，在主程序中循環(huán)調(diào)用，達(dá)到更新當(dāng)前坐標(biāo)的目的。在這個(gè)函數(shù)中，距離增量deltaLen,當(dāng)前從陀螺板讀取的角度值degAngle(角度制，0.1度分辨率)。公式中要用到的上一個(gè)周期角度值lastAngle為全局變量，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)RobotState的成員變量robotAngle為當(dāng)前角度，角度采用弧度制，距離以毫米為單位。

2.2任意方向及路線的行走控制

圖4系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

得到車身實(shí)際速度，與期望的值相減做一個(gè)反饋。

3全向輪式運(yùn)動(dòng)控制方式的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)使用兩個(gè)單片機(jī)，主控模塊使用Philips公司生產(chǎn)的ARM7內(nèi)核微控制器LPC2138，用于主控決策及運(yùn)動(dòng)控制；導(dǎo)航模塊使用Philips公司生產(chǎn)的ARM7內(nèi)核微控制器LPC2131，用于碼盤和陀螺儀的數(shù)據(jù)采集。兩模塊間采用SSP通信。底層控制系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

圖5底層控制系統(tǒng)框圖

3.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)搭建完成后，需要搭建的相應(yīng)的軟件系統(tǒng)來(lái)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法。以下是軟件系統(tǒng)搭建的程序流程圖（圖4）：

圖6軟件系統(tǒng)整體流程圖

4結(jié)語(yǔ)

全向輪式的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式是一種較為靈活的運(yùn)動(dòng)控制方式，它大大地提升了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性，使得機(jī)器人在工業(yè)上的用途越來(lái)越廣泛。相信在不久的未來(lái)，這種全向輪式的運(yùn)動(dòng)控制方式一定會(huì)成為機(jī)器人一種主流的運(yùn)動(dòng)控制方式。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周立功，張華,等.深入淺出ARM7-LPC213x/214x(上冊(cè)).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2006.

[2]TexasInstrumentsCorporation.VeryLowNoise24_bitAnalog-to-DigitalConverterADS1255,2005.

[3]王一治，常德功.Mecanum四輪全方位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能分析及結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選.世界科技研究與發(fā)展，2009，31（1），94~96.

[4]儲(chǔ)健，王仲民，邴志剛，崔世鋼.全向移動(dòng)機(jī)器人輪系的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算，天津:天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，6（19）.

[5]牟學(xué)剛，朱勁，蔣平.三輪全向足球機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)模型研究.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006，5.

[6]LFerriere.GCampion.BRancemRollmobs.ANewDriveSystemForOmni-mobileRobot.Robotica，2001.

[7]劉暢，韓冀皖，王園宇，李元宗.光纖陀螺儀原理及數(shù)據(jù)讀取方法研究,太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（1）.

[8]朱益斌，胡學(xué)龍，朱亞鋒，過(guò)曉星.自主式尋跡機(jī)器人小車的設(shè)計(jì),國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006．

[9]羅蓉，徐紅兵，田濤．復(fù)雜系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及應(yīng)用研究[J]，中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006，32(4):17～21．

[10]寧柯軍，楊汝清.一種自主移動(dòng)機(jī)器人智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（7）：1074～1078.