全方位移動(dòng)小車分析研究

...wd......wd......wd...全方位移動(dòng)小車分析研究摘要作為移動(dòng)小車而開發(fā)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)種類已相當(dāng)繁多，僅就地面移動(dòng)而言，移動(dòng)機(jī)構(gòu)就有車輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式，適應(yīng)了各種工作環(huán)境的不同要求。全向移動(dòng)小車的全方位輪具有平面內(nèi)三個(gè)自由度，可同時(shí)獨(dú)立的前后、左右和原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可在不改變自身位姿的情況下向任意方向移動(dòng)。借助于橫向移動(dòng)和原地盤旋的特性，全方位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)還可方便的穿梭于狹窄擁擠空間中，靈活完成各種任務(wù)，相比傳統(tǒng)移動(dòng)平臺(tái)有明顯優(yōu)勢(shì)。本文綜述首先分析了全向移動(dòng)小車在國(guó)內(nèi)外的研究簡(jiǎn)史與應(yīng)用現(xiàn)狀；對(duì)現(xiàn)使用較為廣泛的全向輪進(jìn)展綜述比照；重點(diǎn)對(duì)當(dāng)前主流輪式全向移動(dòng)小車按照其機(jī)械構(gòu)造、硬件模塊、軟件分析進(jìn)展分類整理，總結(jié)論述了全向移動(dòng)小車的三種控制方式；最后對(duì)全文進(jìn)展歸納總結(jié)，展望了輪式全向移動(dòng)小車的開展方向。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外的研究成果上，較為完善的總結(jié)了全向移動(dòng)小車體系構(gòu)造，為以后深入研究輪式全向移動(dòng)平臺(tái)的廣泛應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。關(guān)鍵字：麥克納姆輪；全方位移動(dòng)小車；車底安全檢查目次摘要IAbstractII1引言11.1課題研究的背景和意義11.2課題研究的主要內(nèi)容和工作12全向移動(dòng)小車研究簡(jiǎn)史與應(yīng)用現(xiàn)狀22.1國(guó)外研究22.2國(guó)內(nèi)研究22.3應(yīng)用現(xiàn)狀32.4本章小結(jié)53輪式全向輪的研究綜述63.1正交輪系63.2Rover輪系63.3球輪系63.4MutualYoYo輪系73.5偏心輪系73.6Mecanum輪系73.7本章小結(jié)84主流輪式全向移動(dòng)小車體系構(gòu)造94.1機(jī)械構(gòu)造94.1.1三輪構(gòu)造94.1.2四輪構(gòu)造94.1.3兩者比擬104.2硬件控制模塊114.2.1主控制器模塊124.2.2傳感器模塊134.2.3次硬件模塊134.3軟件分析144.3.1單片機(jī)軟件分析144.3.2DSP軟件分析154.4三種控制方式164.4.1全向自主模式174.4.2全向循跡模式184.4.3遙控傳感模式194.4.4各控制模式綜合194.5本章小結(jié)195輪式全向移動(dòng)小車結(jié)論與展望205.1結(jié)論205.2展望205.2.1車底安全檢查205.2.2航天器制造業(yè)205.2.3高空作業(yè)平臺(tái)215.2.4空間重負(fù)荷平臺(tái)21致謝22參考文獻(xiàn)23附錄251引言1.1課題研究的背景和意義隨著電子通信與機(jī)電控制等技術(shù)的高速開展，人們已經(jīng)開場(chǎng)并不斷的嘗試將智能小車或機(jī)器人等高效率的工具引入我們工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)在，作為移動(dòng)小車而開發(fā)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)已相當(dāng)繁多，僅就地面移動(dòng)而言，移動(dòng)機(jī)構(gòu)就有車輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式，適應(yīng)各種工作環(huán)境要求。車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)尤其突出，逐漸成為移動(dòng)小車的重要組成局部之一。對(duì)于普通的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎都需要一定的旋轉(zhuǎn)半徑，在狹小的空間常因無法橫向移動(dòng)而失去作用，這在一定程度上限制了輪式移動(dòng)小車的使用范圍。而輪式全向移動(dòng)小車的車體無需做出任何轉(zhuǎn)動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)前后、左右和自轉(zhuǎn)3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，成為輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要開展趨勢(shì)。全向移動(dòng)小車以Mecanum全方位輪〔Omni-directionalwheel〕研究最多。全方位移動(dòng)小車就輪構(gòu)造布局而言，以構(gòu)造支撐穩(wěn)定可靠、各輪負(fù)載較均勻、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、易于控制等優(yōu)點(diǎn)的四輪構(gòu)造在實(shí)際應(yīng)用最為廣泛。研究說明麥克納姆輪全向移動(dòng)小車在運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)位方面靈活，不受運(yùn)動(dòng)空間空間，可應(yīng)用于生活、物流、工業(yè)和機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域，有廣闊的應(yīng)用前景。1.2課題研究的主要內(nèi)容和工作本課題研究?jī)?nèi)容主要有：整理當(dāng)前主流輪式全向移動(dòng)小車的體系構(gòu)造〔機(jī)械、硬件、軟件〕與應(yīng)用現(xiàn)狀。主要工作如下：1〕根據(jù)輪式全向移動(dòng)小車體系構(gòu)造，整理出當(dāng)前輪式全向移動(dòng)小車體系構(gòu)造的機(jī)械、硬件、軟件和移動(dòng)小車的應(yīng)用現(xiàn)狀。2〕參照國(guó)內(nèi)外已有實(shí)例，提出適用于車底安全檢查應(yīng)用的小型小車體系結(jié)并論證此體系構(gòu)造有效性。3〕搜集國(guó)內(nèi)/外文獻(xiàn)，整理此領(lǐng)域1980年代以來研究簡(jiǎn)史。4〕簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)本領(lǐng)域未來的研究開展方向。5〕查找本領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)及其研究子領(lǐng)域內(nèi)容和研究現(xiàn)狀；本領(lǐng)域主要國(guó)際期刊及其關(guān)注的子領(lǐng)域內(nèi)容；本領(lǐng)域主要國(guó)際會(huì)議的網(wǎng)址、提交會(huì)議論文方式。2全向移動(dòng)小車研究簡(jiǎn)史與應(yīng)用現(xiàn)狀目前移動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用最廣泛且最可靠的就算輪式移動(dòng)小車了。相對(duì)于目前亦有應(yīng)用的其他移動(dòng)形式(履帶式、蛇行式、腿足式等)而言，移動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)效率高、載重能力強(qiáng)、機(jī)械構(gòu)造穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)可滿足大局部工業(yè)環(huán)境使用要求。且小車的構(gòu)造豐富、驅(qū)動(dòng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活、行進(jìn)速度相對(duì)較高而倍受青睞[1-4]。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)此作出廣泛的研究。2.1國(guó)外研究對(duì)于全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究工作，國(guó)外已有相當(dāng)多的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)展了廣泛的研究，全方位移動(dòng)機(jī)器人大致可以分為6類,美國(guó)、德國(guó)、日本等興旺國(guó)家在此領(lǐng)域上屬于領(lǐng)先地位〔具體分析參見第三章〕。2.2國(guó)內(nèi)研究我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)八十年代，才開場(chǎng)對(duì)Mecanum輪的研究工作。研究主要集中在Mecanum輪構(gòu)造與機(jī)理分析上，主要研究機(jī)構(gòu)包括清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等高等院校和國(guó)家科研機(jī)構(gòu)。上海大學(xué)研制的全方位越障爬壁機(jī)器人可以在保持姿勢(shì)不變的情況下，沿壁面進(jìn)展全方位移動(dòng)，并能跨越運(yùn)行路徑中的障礙物。該機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需要傳感裝置來檢測(cè)障礙。江南大學(xué)的高春能，紀(jì)志成研制一種定制使用單排萬向行走輪的新型全方位移動(dòng)機(jī)器人，見圖2-1。付宜利、王樹國(guó)等進(jìn)展了全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)研究，提出了一種新型輪式移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)造，見圖2-2。圖2-1單排萬向行走輪圖2-2全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人浙江大學(xué)張翮、熊蓉、褚健[5]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國(guó)榮，張海兵各研究一種在構(gòu)造復(fù)雜程度、承載能力和效率方面都有所改良的新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，即雙排萬向行走輪[6]，見圖2-3。圖2-3雙排萬向行走輪與全方位移動(dòng)足球機(jī)器人北京中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制的全方位移動(dòng)機(jī)械手，該全方位移動(dòng)機(jī)械手主要由3個(gè)輪間夾角互為120°的偏心方向輪構(gòu)成。其他的還有沈陽中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的劉開周，孫茂相，董再勵(lì)對(duì)一類正交輪全方位移動(dòng)機(jī)器人不確定擾動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)展了研究。2.3應(yīng)用現(xiàn)狀全向移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前后、左右、左前、右前、左后、右后、逆時(shí)針、順時(shí)針的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)[7]等優(yōu)點(diǎn)，在各種比賽、生活、物流、工業(yè)上都具有普遍應(yīng)用。全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)在足球機(jī)器人的比賽上已有相當(dāng)?shù)难芯繎?yīng)用，以日本Keio大學(xué)Eigen隊(duì)、Kanazawa理工大學(xué)Winkit隊(duì)，和德國(guó)的Freie大學(xué)FU－fighter隊(duì)、Stuttgart大學(xué)CopsStuttgart隊(duì)實(shí)力較強(qiáng)。圖2-4足球機(jī)器人踢足球過程國(guó)內(nèi)足球機(jī)器人〔如圖2-4〕的中型比賽在近年來開展迅速。以國(guó)防科技大學(xué)的“獵豹隊(duì)〔NuBot〕〞為例，該隊(duì)早在2001年起就開場(chǎng)參加國(guó)內(nèi)足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)比賽，技術(shù)開展到今日，已能代表國(guó)內(nèi)的最高水平，但與國(guó)際上的最高水平還有一定的差距[8]。在生活領(lǐng)域，將全方位輪應(yīng)用在輪椅上，使輪椅具有全方位移動(dòng)的能力，能更好的適應(yīng)室內(nèi)狹窄空間的特點(diǎn)，提高了行動(dòng)不便人士的行動(dòng)能力，見圖2-5。圖2-5全方位運(yùn)動(dòng)輪椅[9]圖2-6Mecanum輪叉車在物流領(lǐng)域，使用叉車可以方便的搬運(yùn)貨物，但傳統(tǒng)的叉車僅具有兩個(gè)自由度，無法橫向移動(dòng)和零半徑旋轉(zhuǎn)，如需移動(dòng)則要占用較大倉(cāng)庫存儲(chǔ)空間，這樣既浪費(fèi)倉(cāng)儲(chǔ)空間又增加存儲(chǔ)本錢。采用全向輪構(gòu)成的叉車系統(tǒng)具備全向移動(dòng)的能力，既提高了叉車運(yùn)行效率，又提高了倉(cāng)庫的空間利用率，降低倉(cāng)儲(chǔ)本錢。例如：中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院與美科斯叉車公司合作開發(fā)了如圖2-6所示的全方位運(yùn)動(dòng)叉車。在工業(yè)領(lǐng)域上，移動(dòng)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于工廠監(jiān)控、車間檢查以及倉(cāng)庫搬運(yùn)等重復(fù)、繁重的體力勞動(dòng)，像深圳富士康就已經(jīng)開場(chǎng)引入機(jī)器人代替人工勞動(dòng)。經(jīng)濟(jì)的開展，更使得機(jī)器人市場(chǎng)日益擴(kuò)大，如在移動(dòng)機(jī)器人本體上安裝麥克納姆輪就可以到達(dá)在狹小空間上自由靈活的運(yùn)動(dòng)的目的，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。例如：自動(dòng)引導(dǎo)車〔AVG〕可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)物料搬運(yùn)自動(dòng)化，將Mecanum輪應(yīng)用在AGV上就可以使其在狹小的空間靈活工作，提高搬運(yùn)效率，節(jié)省存儲(chǔ)空間，有著廣泛的應(yīng)用前景，如圖2-7所示。圖2-7基于Mecanum輪的AGVS[10]另外，全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)由于自身的轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)靈活，且能在狹隘的空間中自由運(yùn)動(dòng)，全向移動(dòng)小車還廣泛的應(yīng)用于火災(zāi)救援、自動(dòng)化工廠的物流系統(tǒng)、核輻射和易爆炸物的處理、軍事偵察等場(chǎng)合。2.4本章小結(jié)本章主要小結(jié)了本領(lǐng)域自1980年以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)此相關(guān)領(lǐng)域的研究簡(jiǎn)史，以及對(duì)各種類型全向輪的研究改良，獲得成功，并研發(fā)出相應(yīng)的移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和現(xiàn)實(shí)，方便群眾生產(chǎn)和生活。3輪式全向輪的研究綜述輪式全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)是指移動(dòng)機(jī)構(gòu)以全向輪作為驅(qū)動(dòng)部件，在二維平面上具有從當(dāng)前位置沿任意方向運(yùn)動(dòng)的能力。其機(jī)械局部最重要的就是全向輪，常見的全向輪及其應(yīng)用主要分為如下6類：3.1正交輪系如圖3-1，正交輪[10]是由兩個(gè)形狀一樣的球形輪子各切去一部球冠的球組成，通過球心的支撐軸垂直于被切去球冠，支撐軸固定在一個(gè)框架上。澳大利亞昆士蘭大學(xué)RoboRoos2001機(jī)器人用的就是正交輪[11]，如圖3-2所示。圖3-1正交輪模型圖3-2正交輪3.2Rover輪系Rover輪將驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向功能集成在一個(gè)輪子上完成，并將驅(qū)動(dòng)電機(jī)放在輪子中。如斯坦福大學(xué)的OussamaK研制的全方位移動(dòng)操作機(jī)器人輪子為3個(gè)Rover輪[12]。3.3球輪系球輪是由滾動(dòng)球、滾子支撐桿、和一系列驅(qū)動(dòng)滾子組成[13]。在底盤上固定滾子支撐桿，在一個(gè)繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上固定驅(qū)動(dòng)滾子。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子是單獨(dú)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。3.4MutualYoYo輪系如圖3-3所示，MutualYoYo輪(即MY輪)由兩個(gè)切去球冠和中間局部的球體組成，這兩局部球共同由1個(gè)旋轉(zhuǎn)主軸，與各自的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸成45°穿插分布。這種輪的構(gòu)造可分為接觸區(qū)和非接觸區(qū)，通過優(yōu)化接觸區(qū)的距離和MY輪的轉(zhuǎn)速來減少運(yùn)動(dòng)誤差[14]。圖3-3MY輪根本構(gòu)造3.5偏心輪系偏心萬向輪在輪盤上采用不連續(xù)滾子的切換運(yùn)動(dòng)方式，安裝有該輪子的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在換向和運(yùn)動(dòng)的過程中和地面的接觸點(diǎn)都不改變，在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)的震動(dòng)的概率減少為零，同時(shí)打滑現(xiàn)象減少發(fā)生。新加坡國(guó)立大學(xué)的LiYP與MHJrAng研制的全方位移動(dòng)操作機(jī)器人，該全方位移動(dòng)機(jī)器人的輪子為4個(gè)偏心輪。3.6Mecanum輪系麥克納姆輪即為瑞典Mecanum公司的專利創(chuàng)造，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小輥?zhàn)拥陌j(luò)線為圓柱面，能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。圖3-4麥克納姆輪單個(gè)Mecanum的外形裝有多個(gè)能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)?，輥?zhàn)拥妮S線與輪轂的軸線成α〔通常為45°〕角度。這樣的全向輪構(gòu)造緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，具備了前后、左右、自轉(zhuǎn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，是很成功的一種全方位輪〔圖3-4〕。圖3-5Uranus機(jī)器人起初麥克納姆輪裝載的輪子為四輪構(gòu)造，美國(guó)卡耐基-梅隆大學(xué)的PatrickF.Muir在1987年研制成首個(gè)基于Mecanum輪全方位移動(dòng)機(jī)器人“Uranus〞[15](圖3-5所示)。布爾諾大學(xué)的BohumilHonzik在2003年研制四Mecanum輪全方位助殘車[16]澳大利亞西部大學(xué)的ThomasBraunl運(yùn)用EyrBot內(nèi)核研制的四Mecanum輪全方位移動(dòng)小車，如圖3-6所示。后來馬賽諸塞大學(xué)Olaf和Diegel在2002年研制的小輥?zhàn)优c大輪子的夾角可調(diào)的Mecanum輪移動(dòng)小車[17]，如圖3-7所示。圖3-6普通Mecanum輪小車圖3-7變構(gòu)造Mecanum輪小車3.7本章小結(jié)本章主要綜述了全向移動(dòng)小車6種全方位輪應(yīng)用于移動(dòng)小車的研究領(lǐng)域，比照研究發(fā)現(xiàn)Mecanum輪承受能力強(qiáng)，安裝麥克納姆輪的全向移動(dòng)小車的車輪與懸掛位置相對(duì)固定，無需獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，僅利用各輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的配合就可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能，系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用中最為廣泛。4主流輪式全向移動(dòng)小車體系構(gòu)造輪式全向移動(dòng)小車體系構(gòu)造主要由移動(dòng)小車機(jī)械、硬件、軟件組合而成。機(jī)械局部根據(jù)移動(dòng)小車的控制功能可選擇三輪或四輪構(gòu)造；硬件局部根據(jù)機(jī)械布局選擇適宜的硬件配置，擬實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能；軟件局部根據(jù)移動(dòng)小車的機(jī)械構(gòu)造和硬件配置，編程實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小車的全向移動(dòng)功能。4.1機(jī)械構(gòu)造縱觀前人的研究成果，可知當(dāng)前主流的輪式全向移動(dòng)小車按照車輪的數(shù)目一般采用三輪或四輪構(gòu)造?；貞涊喪饺蛞苿?dòng)小車研究已取得的主要成果，按車輪數(shù)目對(duì)三輪構(gòu)造和四輪構(gòu)造進(jìn)展分析總結(jié)。4.1.1三輪構(gòu)造在三輪構(gòu)造中，主要是MY輪全向移動(dòng)小車。MY輪〔見3.4小節(jié)〕全向移動(dòng)小車的是一種全新的全向移開工具，主要零部件包括驅(qū)動(dòng)輪、主動(dòng)軸、被動(dòng)軸及移動(dòng)平臺(tái)等。見圖4-1，三輪構(gòu)造中輪子相互之間夾角為120°分開布置在移動(dòng)平臺(tái)上，分別由3個(gè)直流伺服電機(jī)同步帶驅(qū)動(dòng)。運(yùn)用球體的運(yùn)用原理，通過兩局部球體接觸區(qū)與非接觸區(qū)的相互補(bǔ)充來實(shí)現(xiàn)萬向移動(dòng)功能。圖4-1MY輪全向移動(dòng)平臺(tái)4.1.2四輪構(gòu)造四輪構(gòu)造主要采用Mecanum車輪布局，如圖4-2所示，根據(jù)小車機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)造可分為全向輪系，底盤，緩沖裝置，四個(gè)全向輪分別由四個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制。車體各輪間通過轉(zhuǎn)速和旋向的配合即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小車的全方位運(yùn)動(dòng)。圖4-2Mecanum四輪全方位移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械構(gòu)造考慮實(shí)際路面的平整性，還需在移動(dòng)平臺(tái)上安裝緩沖機(jī)構(gòu)，保證移動(dòng)機(jī)構(gòu)的四輪與地面的可靠接觸。為減少平臺(tái)的振動(dòng)，可在輥?zhàn)优c其轉(zhuǎn)軸之間填裝滾珠軸承，以降低運(yùn)行時(shí)的噪聲。4.1.3兩者比擬采用三輪構(gòu)造的三個(gè)輪一般按120°分布排列，共有三種驅(qū)動(dòng)方式：〔1〕前輪由電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，后輪驅(qū)動(dòng)；〔2〕小車的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向都由前輪實(shí)現(xiàn)；〔3〕前輪為萬向輪，后輪各有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體環(huán)境要求來選擇適宜的控制方式，以到達(dá)預(yù)期目標(biāo)。其特征是采用三輪構(gòu)造，平臺(tái)構(gòu)造上采用板柱構(gòu)造，各層采用支撐桿及螺絲連接，車輪采用球體運(yùn)動(dòng)原理，通過局部球體接觸區(qū)和非接觸區(qū)的相互補(bǔ)充來實(shí)現(xiàn)萬向移動(dòng)的功能。采用三輪構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)：在足球機(jī)器人的比賽中，移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)快速靈活，控制簡(jiǎn)單，進(jìn)攻性強(qiáng)等。采用三輪構(gòu)造的缺點(diǎn)：三輪構(gòu)造僅僅在實(shí)驗(yàn)室或各種足球機(jī)器人比賽中使用較為廣泛，在現(xiàn)實(shí)生活中使用不廣泛。采用四輪構(gòu)造一般采用Mecanum輪構(gòu)造，Mecanum輪承載能力較強(qiáng)，安裝與懸掛位置相對(duì)固定，無需獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，僅是利用各輪上的無刷直流電機(jī)通過軟件對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)展編程控制即可實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。在四輪構(gòu)造中的特征是輪子有多種布置方式，王一治[18]在分析四輪機(jī)構(gòu)的全方位運(yùn)動(dòng)條件時(shí)建設(shè)其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并列舉分析了具有代表性構(gòu)造布局形式。采用四輪構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)小車的載重能力強(qiáng)，系統(tǒng)構(gòu)造較三輪構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠，控制相對(duì)容易。采用四輪構(gòu)造的缺點(diǎn)：四輪小車體系構(gòu)造在運(yùn)動(dòng)控制方面較三輪構(gòu)造難分析，移動(dòng)小車還存在車輪側(cè)滑現(xiàn)象，車體不穩(wěn)等現(xiàn)象。根據(jù)以上比照可知，具備三輪構(gòu)造的全向移動(dòng)小車在足球機(jī)器人的比賽上研究較為深入，但在現(xiàn)實(shí)生活中，四輪機(jī)構(gòu)的Mecanum輪移動(dòng)小車承載能力強(qiáng)，通過軟件編程就能實(shí)現(xiàn)小車全向移動(dòng)功能，使用最為廣泛。4.2硬件控制模塊移動(dòng)小車無論是三輪構(gòu)造還是四輪構(gòu)造，要實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)功能，就需要硬件配以控制電路進(jìn)展控制。硬件電路上的所需的根本硬件都大體相似，包括一些主控模塊，電源管理模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通訊模塊等，圖4-3為四Mecanum輪移動(dòng)平臺(tái)硬件架構(gòu)[8]，以下僅取關(guān)鍵硬件展開論述。加速度與轉(zhuǎn)速傳感器加速度與轉(zhuǎn)速傳感器無線串口上位PC機(jī)主控制器電源DC模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板無刷直流電機(jī)傘齒輪箱Mecanum輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)板無刷直流電機(jī)傘齒輪箱Mecanum輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)板無刷直流電機(jī)傘齒輪箱Mecanum輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)板無刷直流電機(jī)傘齒輪箱Mecanum輪按鍵輸入三維手柄LCD圖4-3基于Mecanum輪移動(dòng)平臺(tái)硬件架構(gòu)4.2.1主控制器模塊主控制器模塊是根據(jù)人機(jī)交互模塊(或上位機(jī))輸入的運(yùn)動(dòng)要求和四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、電流反響來重新控制四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。主控制器主要采用DSP、PLC或者單片機(jī)對(duì)小車本體進(jìn)展運(yùn)動(dòng)控制，各不同的控制器適用于不同的控制環(huán)境，各有優(yōu)缺。采用DSP作為系統(tǒng)的主控制器可以增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展和靈活性，可以根據(jù)環(huán)境的需要選擇不同型號(hào)的DSP，使用型號(hào)為TMS320F2812DSP作為主控制器時(shí)，由于其高速浮點(diǎn)運(yùn)算，可以大大的提高程序上數(shù)據(jù)處理能力。該型號(hào)處理器還能實(shí)時(shí)測(cè)出移動(dòng)小車在運(yùn)動(dòng)過程中加速度、轉(zhuǎn)向姿態(tài)角和車輪角加速度，利用DSP的UART模塊和MAX232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信，滿足小車的定位導(dǎo)航要求[8]。還有一種是配以型號(hào)為TMS320LF2407A[19,20]的DSP作為主控模塊的微處理器，采用藍(lán)牙模塊進(jìn)展無線通訊，由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每個(gè)DSP都發(fā)出兩路獨(dú)立的PWM信號(hào)對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)展控制。DSP之間通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線進(jìn)展通訊，傳輸上位機(jī)指令、反響速度信號(hào)及傳感器數(shù)據(jù)〔見圖4-4〕。藍(lán)牙無線藍(lán)牙無線通訊模塊DSP1DSP2紅外線傳感器驅(qū)動(dòng)1電機(jī)1碼盤1射門系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)2電機(jī)2碼盤2驅(qū)動(dòng)3電機(jī)3碼盤3驅(qū)動(dòng)4電機(jī)4碼盤4控球驅(qū)動(dòng)控球電機(jī)CANRS232RS232圖4-4機(jī)器人硬件系統(tǒng)整體構(gòu)造采用ARM7LPC213x+AVRMega16單片機(jī)的多級(jí)主從構(gòu)造，軟件和硬件都采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)可以完成一種小巧、靈活的智能型全向移動(dòng)機(jī)器人電控系統(tǒng)[21]。主控模塊可根據(jù)具體的任務(wù)需要選擇主處理器，如果想要從最終的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)控制角度講就要性能較好的DSP處理器，在完善的檢測(cè)控制電路上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反響控制。DSP處理器有多種型號(hào)，TMS320F2812裝置采用雙電源設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)性好，功耗低，體積小，集成度高，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，能夠滿足多種工業(yè)應(yīng)用。TMS320LF2407A穩(wěn)定性好、處理能力快，外圍接口豐富，功耗低，集成了多種控制器外設(shè)，帶有CAN通訊模塊，串口通訊模塊，適合作控制模塊，是一種高性能、高精度處理器，應(yīng)用前景較為廣泛。采用PLC作為主控制器在工業(yè)上有抗干擾、抗震開工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，但其編程的靈活性較差，系統(tǒng)擴(kuò)展性缺乏。如果僅是為了通過控制電路來直觀的測(cè)試Mecanum全向輪的全方位運(yùn)動(dòng)功能，可以選用單片機(jī)〔MCU〕控制實(shí)現(xiàn)開環(huán)應(yīng)用。4.2.2傳感器模塊為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能控制，需以傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)視覺或接近覺功能，而實(shí)現(xiàn)感知功能的有多種傳感方式：1〕采用CCD攝像頭進(jìn)展圖象采集和識(shí)別方法，但在大體積系統(tǒng)中使用不便。2〕基于檢測(cè)對(duì)象外表，電容傳感器發(fā)生電容變化，產(chǎn)生電壓變化，便于控制。3〕根據(jù)波在傳播過程中所受到的影響來檢測(cè)物體的接近程度的超聲波傳感器。4〕紅外反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管〔或光敏三極管〕[22]。在實(shí)際中，如傳感器要感知的對(duì)象是物體的接近程度，可選用紅外線反射式光電傳感器，這種傳感器與準(zhǔn)確的測(cè)距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，如果是實(shí)現(xiàn)小車尋跡，可使用較簡(jiǎn)單的接近傳感器。如果想得到清晰的探測(cè)結(jié)果，就需采用CCD攝像頭進(jìn)展圖像采集和識(shí)別，例如：在小車的車底安全檢查中就是需要這種傳感器來完成檢查任務(wù)。如果僅是為了探測(cè)前方障礙物的有無，使用超聲波傳感器就可以滿足要求了?？傊?，根據(jù)具體環(huán)境選用適宜的傳感器來實(shí)現(xiàn)具體功能。4.2.3次硬件模塊控制電路上的硬件模塊除了主控模塊和傳感器模塊外，還有電動(dòng)機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、通信模塊等。驅(qū)動(dòng)器通常情況下可采用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等幾種類型。這幾種電機(jī)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過分析比照幾種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)可選擇符合要求的電機(jī)，見表4-1。表4-1不同類型電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比擬類型直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)舵機(jī)優(yōu)點(diǎn)型號(hào)多、購(gòu)置容易、功率大、接口簡(jiǎn)單、調(diào)速容易等。型號(hào)多、易購(gòu)得、接口簡(jiǎn)單、價(jià)格廉價(jià)等。型號(hào)多、價(jià)格廉價(jià)、接口簡(jiǎn)單、功率中等、內(nèi)部帶齒輪減速器。缺點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、價(jià)格較貴、電流通常比擬大、控制相對(duì)復(fù)雜等。精度差些、容易失步、功率與自重比小、電流通常較大、體積較大、負(fù)載能力低、功率小等。負(fù)載能力低、速度調(diào)節(jié)范圍小、維護(hù)復(fù)雜等。直流電機(jī)雖然構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格偏貴，但轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍大、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)及力矩波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，可作為該全方位移動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)造上還有電源管理模塊負(fù)責(zé)平臺(tái)電源，反響電供電狀態(tài)，完成過流、欠壓、過壓保護(hù)和電池電量監(jiān)控等功能。本文限于篇幅，其他硬件模塊不詳述。4.3軟件分析4.3.1單片機(jī)軟件分析如果使用STC89C52單片機(jī)作為主控模塊，選用兩只TCRT5000型光電對(duì)管紅對(duì)管，分別置于車身前軌道的兩側(cè)，兩只光電開關(guān)根據(jù)承受到白線與黑線的情況來控制小車調(diào)整車向，根據(jù)主程序流程圖4-5，編寫程序。啟動(dòng)啟動(dòng)循跡檢測(cè)到停頓線停頓檢到軌跡躲避障礙物NNYY圖4-5主程序流程圖4.3.2DSP軟件分析采用DSP作為主控模塊，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型分析和硬件設(shè)計(jì)，編寫DSP軟件,流程圖如圖4-6所示。DSP對(duì)無線方式接收到的數(shù)據(jù),根據(jù)協(xié)議進(jìn)展處理,提取出運(yùn)動(dòng)方式和相關(guān)參數(shù),調(diào)用各運(yùn)動(dòng)模式子程序,以完成相應(yīng)位姿運(yùn)動(dòng)；同時(shí)也將采集到的速度值經(jīng)過無線模塊傳送給上位機(jī)，以便進(jìn)展數(shù)據(jù)處理、比對(duì)和監(jiān)控。開場(chǎng)開場(chǎng)初始化收到停頓信號(hào)提取運(yùn)動(dòng)參數(shù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)算邊平移邊轉(zhuǎn)身運(yùn)算平移運(yùn)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停頓完畢NY選擇運(yùn)動(dòng)方式圖4-6DSP主程序流程圖4.4三種控制方式輪式全向移動(dòng)小車通過全向視覺攝像機(jī)和圖像采集模塊360°觀察。主控模塊通過PCM-8150處理圖像，以實(shí)現(xiàn)決策功能。運(yùn)動(dòng)控制模塊上采用以TMS320F2812為核心的DSP通過RS232與運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)展通信，通過速度負(fù)反響和PID控制算法，采用PWM方式控制四路電機(jī)以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。另外，移動(dòng)小車還可以通過無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)無線遙控[23]。以下先對(duì)全向移動(dòng)小車進(jìn)展運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，進(jìn)而引出全向移動(dòng)小車的三種控制方式。圖4-7Mecanum輪機(jī)器人的構(gòu)造Mecanum輪移動(dòng)小車的車輪布局如圖3-7所示。設(shè)機(jī)器人的廣義速度為(vx，vy，ωz)T，(ω1，ω2，ω3，ω4)T表示各輪的轉(zhuǎn)速。輥?zhàn)虞S線與輪轂軸線的夾角為α，小車的半車長(zhǎng)和半車寬為L(zhǎng)和ι，車輪半徑為R。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，Mecanum輪機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：·······························〔1〕逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：··········································〔2〕其中：，從式(1)和式(2)可以看出vx、vy和ωz分別取不同的值可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)。4.4.1全向自主模式移動(dòng)小車在全向自主模式下，根據(jù)全向攝像機(jī)檢測(cè)到的環(huán)境信息，在簡(jiǎn)單、光照明亮、干擾少的環(huán)境下自主的進(jìn)展路線規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)智能控制運(yùn)動(dòng)。圖像采集圖像采集預(yù)處理圖像分割建設(shè)目標(biāo)顏色庫目標(biāo)識(shí)別，自定位控球球門較遠(yuǎn)正對(duì)球門距離較遠(yuǎn)直接射門帶球運(yùn)動(dòng)向球運(yùn)動(dòng)調(diào)整姿態(tài)調(diào)整姿態(tài)NNNNYYYY圖4-8足球機(jī)器人全向自主控制流程全向自主控制模式以足球機(jī)器人為例，控制流程如圖4-8所示。整個(gè)流程分圖像處理和運(yùn)動(dòng)決策兩局部，圖像處理過程中，全向攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取場(chǎng)地的圖像信息，在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間上完成顏色轉(zhuǎn)換；然后經(jīng)過離線建設(shè)的目標(biāo)顏色特征庫，比照進(jìn)展顏色分割、濾波和區(qū)域融合，剔除干擾；最后通過顏色匹配，識(shí)別出場(chǎng)地上的球門和球并計(jì)算出目標(biāo)與機(jī)器人的距離和角度后進(jìn)入運(yùn)動(dòng)決策流程。進(jìn)展決策后就做出相應(yīng)動(dòng)作，完成比賽任務(wù)。4.4.2全向循跡模式在全向自主模式下，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)全自主運(yùn)動(dòng)，對(duì)光照、場(chǎng)地等環(huán)境條件的要求較高且抗干擾性較差。為了增強(qiáng)實(shí)用性和穩(wěn)定性，通常采用單向視覺系統(tǒng)USB攝像機(jī)，在標(biāo)識(shí)線引導(dǎo)下沿預(yù)定路線運(yùn)動(dòng)，屬于智能程度最高控制模式。(ω1(ω1,ω2,ω3,ω4)T模糊控制器DSP控制器電機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)編碼器USB攝像機(jī)(ωs1,ωs2,ωs3,ωs4)T(xs,ys,θs)T(x0,y0,θ0)T圖4-9機(jī)器人的根本控制構(gòu)造全向循跡模式下，機(jī)器人根本控制構(gòu)造如圖4-9所示，分為內(nèi)速度控制環(huán)和外位置控制環(huán)。首先主控模塊通過比擬機(jī)器人的期望位姿(x0,y0,θ0)T與攝像機(jī)拍到的實(shí)際位姿(xs,ys,θs)T的差異，利用模糊控制的方法得出機(jī)器人的期望速度，DSP控制器通過比擬期望轉(zhuǎn)速與編碼器返饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速(ωs1,ωs2,ωs3,ωs4)T的差異，采用PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)展控制。4.4.3遙控傳感模式在復(fù)雜的環(huán)境中工作，全向移動(dòng)小車還可以通過采用遙控控制模式手動(dòng)控制小車運(yùn)動(dòng)，如圖4-10所示。在遙控模式下，遙控手柄按動(dòng)搖桿，電壓發(fā)生變化，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到主處理器對(duì)移動(dòng)小車進(jìn)展控制，例如：按動(dòng)搖桿1可以使移動(dòng)小車在三種控制方式中切換，搖桿2還可以控制小車的旋轉(zhuǎn)等。圖4-10三自由度遙控手柄4.4.4各控制模式綜合全向自主模式下,全向移動(dòng)小車的自主性智能性最高同時(shí)對(duì)環(huán)境及光照條件的要求也最高。尋跡模式下,全向移動(dòng)小車對(duì)環(huán)境的依賴度降低,抗干擾性提高,但只能沿預(yù)定路線運(yùn)動(dòng)。遙控模式彌補(bǔ)了前兩種模式的缺乏能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的要求,但需要手動(dòng)控制,智能性降低。三種控制模式各有利弊,可根據(jù)提供的工作環(huán)境和任務(wù)要求選擇適宜的控制方式能夠提高機(jī)器人的靈活性和效率,擴(kuò)大應(yīng)用范圍,保證機(jī)器人的穩(wěn)定性和實(shí)用性。4.5本章小結(jié)全向移動(dòng)小車無需改變車體姿態(tài)即可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)和任意半徑的旋轉(zhuǎn),本章首先分析了Mecanum輪全向移動(dòng)小車的機(jī)械構(gòu)造，提出三輪構(gòu)造和四輪構(gòu)造的異同、優(yōu)缺。接著根據(jù)控制模塊的硬件構(gòu)造，提出兩種主控制器芯片的軟