全方位移動小車分析研究

...wd......wd......wd...全方位移動小車分析研究摘要作為移動小車而開發(fā)的移動機構(gòu)種類已相當(dāng)繁多，僅就地面移動而言，移動機構(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。全向移動小車的全方位輪具有平面內(nèi)三個自由度，可同時獨立的前后、左右和原地旋轉(zhuǎn)運動，可在不改變自身位姿的情況下向任意方向移動。借助于橫向移動和原地盤旋的特性，全方位運動平臺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)移動平臺有明顯優(yōu)勢。本文綜述首先分析了全向移動小車在國內(nèi)外的研究簡史與應(yīng)用現(xiàn)狀；對現(xiàn)使用較為廣泛的全向輪進展綜述比照；重點對當(dāng)前主流輪式全向移動小車按照其機械構(gòu)造、硬件模塊、軟件分析進展分類整理，總結(jié)論述了全向移動小車的三種控制方式；最后對全文進展歸納總結(jié)，展望了輪式全向移動小車的開展方向。本文在借鑒國內(nèi)外的研究成果上，較為完善的總結(jié)了全向移動小車體系構(gòu)造，為以后深入研究輪式全向移動平臺的廣泛應(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全向移動小車研究簡史與應(yīng)用現(xiàn)狀22.1國外研究22.2國內(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主流輪式全向移動小車體系構(gòu)造94.1機械構(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215.2.4空間重負荷平臺21致謝22參考文獻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電控制等技術(shù)的高速開展，人們已經(jīng)開場并不斷的嘗試將智能小車或機器人等高效率的工具引入我們工業(yè)的各個領(lǐng)域。現(xiàn)在，作為移動小車而開發(fā)的移動機構(gòu)已相當(dāng)繁多，僅就地面移動而言，移動機構(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。車輪式移動機構(gòu)尤其突出，逐漸成為移動小車的重要組成局部之一。對于普通的輪式移動機構(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而失去作用，這在一定程度上限制了輪式移動小車的使用范圍。而輪式全向移動小車的車體無需做出任何轉(zhuǎn)動，便可實現(xiàn)前后、左右和自轉(zhuǎn)3個自由度運動，成為輪式移動機構(gòu)的主要開展趨勢。全向移動小車以Mecanum全方位輪〔Omni-directionalwheel〕研究最多。全方位移動小車就輪構(gòu)造布局而言，以構(gòu)造支撐穩(wěn)定可靠、各輪負載較均勻、運動平穩(wěn)、易于控制等優(yōu)點的四輪構(gòu)造在實際應(yīng)用最為廣泛。研究說明麥克納姆輪全向移動小車在運動及轉(zhuǎn)位方面靈活，不受運動空間空間，可應(yīng)用于生活、物流、工業(yè)和機器人等多個領(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內(nèi)容主要有：整理當(dāng)前主流輪式全向移動小車的體系構(gòu)造〔機械、硬件、軟件〕與應(yīng)用現(xiàn)狀。主要工作如下：1〕根據(jù)輪式全向移動小車體系構(gòu)造，整理出當(dāng)前輪式全向移動小車體系構(gòu)造的機械、硬件、軟件和移動小車的應(yīng)用現(xiàn)狀。2〕參照國內(nèi)外已有實例，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〕搜集國內(nèi)/外文獻，整理此領(lǐng)域1980年代以來研究簡史。4〕簡單預(yù)測本領(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)域主要國際期刊及其關(guān)注的子領(lǐng)域內(nèi)容；本領(lǐng)域主要國際會議的網(wǎng)址、提交會議論文方式。2全向移動小車研究簡史與應(yīng)用現(xiàn)狀目前移動機構(gòu)的使用最廣泛且最可靠的就算輪式移動小車了。相對于目前亦有應(yīng)用的其他移動形式(履帶式、蛇行式、腿足式等)而言，移動小車運動效率高、載重能力強、機械構(gòu)造穩(wěn)定等優(yōu)點可滿足大局部工業(yè)環(huán)境使用要求。且小車的構(gòu)造豐富、驅(qū)動控制相對簡單、運動靈活、行進速度相對較高而倍受青睞[1-4]。因此，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)對此作出廣泛的研究。2.1國外研究對于全方位移動機器人的研究工作，國外已有相當(dāng)多的研究機構(gòu)進展了廣泛的研究，全方位移動機器人大致可以分為6類,美國、德國、日本等興旺國家在此領(lǐng)域上屬于領(lǐng)先地位〔具體分析參見第三章〕。2.2國內(nèi)研究我國自上個世紀八十年代，才開場對Mecanum輪的研究工作。研究主要集中在Mecanum輪構(gòu)造與機理分析上，主要研究機構(gòu)包括清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院等高等院校和國家科研機構(gòu)。上海大學(xué)研制的全方位越障爬壁機器人可以在保持姿勢不變的情況下，沿壁面進展全方位移動，并能跨越運行路徑中的障礙物。該機構(gòu)構(gòu)造簡單，不需要傳感裝置來檢測障礙。江南大學(xué)的高春能，紀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機器人，見圖2-1。付宜利、王樹國等進展了全方位輪式移動機器人平臺研究，提出了一種新型輪式移動機器人構(gòu)造，見圖2-2。圖2-1單排萬向行走輪圖2-2全方位輪式移動機器人浙江大學(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機構(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足球機器人北京中國科學(xué)院自動化研究所研制的全方位移動機械手，該全方位移動機械手主要由3個輪間夾角互為120°的偏心方向輪構(gòu)成。其他的還有沈陽中國科學(xué)院自動化研究所的劉開周，孫茂相，董再勵對一類正交輪全方位移動機器人不確定擾動數(shù)學(xué)模型進展了研究。2.3應(yīng)用現(xiàn)狀全向移動機器人可以實現(xiàn)前后、左右、左前、右前、左后、右后、逆時針、順時針的平穩(wěn)運動[7]等優(yōu)點，在各種比賽、生活、物流、工業(yè)上都具有普遍應(yīng)用。全向移動機構(gòu)在足球機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、Kanazawa理工大學(xué)Winkit隊，和德國的Freie大學(xué)FU－fighter隊、Stuttgart大學(xué)CopsStuttgart隊實力較強。圖2-4足球機器人踢足球過程國內(nèi)足球機器人〔如圖2-4〕的中型比賽在近年來開展迅速。以國防科技大學(xué)的“獵豹隊〔NuBot〕〞為例，該隊早在2001年起就開場參加國內(nèi)足球機器人運動比賽，技術(shù)開展到今日，已能代表國內(nèi)的最高水平，但與國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的能力，能更好的適應(yīng)室內(nèi)狹窄空間的特點，提高了行動不便人士的行動能力，見圖2-5。圖2-5全方位運動輪椅[9]圖2-6Mecanum輪叉車在物流領(lǐng)域，使用叉車可以方便的搬運貨物，但傳統(tǒng)的叉車僅具有兩個自由度，無法橫向移動和零半徑旋轉(zhuǎn)，如需移動則要占用較大倉庫存儲空間，這樣既浪費倉儲空間又增加存儲本錢。采用全向輪構(gòu)成的叉車系統(tǒng)具備全向移動的能力，既提高了叉車運行效率，又提高了倉庫的空間利用率，降低倉儲本錢。例如：中國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所示的全方位運動叉車。在工業(yè)領(lǐng)域上，移動機器人已廣泛應(yīng)用于工廠監(jiān)控、車間檢查以及倉庫搬運等重復(fù)、繁重的體力勞動，像深圳富士康就已經(jīng)開場引入機器人代替人工勞動。經(jīng)濟的開展，更使得機器人市場日益擴大，如在移動機器人本體上安裝麥克納姆輪就可以到達在狹小空間上自由靈活的運動的目的，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。例如：自動引導(dǎo)車〔AVG〕可以實現(xiàn)生產(chǎn)物料搬運自動化，將Mecanum輪應(yīng)用在AGV上就可以使其在狹小的空間靈活工作，提高搬運效率，節(jié)省存儲空間，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，全向移動機構(gòu)由于自身的轉(zhuǎn)位運動靈活，且能在狹隘的空間中自由運動，全向移動小車還廣泛的應(yīng)用于火災(zāi)救援、自動化工廠的物流系統(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，國內(nèi)外對此相關(guān)領(lǐng)域的研究簡史，以及對各種類型全向輪的研究改良，獲得成功，并研發(fā)出相應(yīng)的移動平臺應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和現(xiàn)實，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機構(gòu)是指移動機構(gòu)以全向輪作為驅(qū)動部件，在二維平面上具有從當(dāng)前位置沿任意方向運動的能力。其機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，支撐軸固定在一個框架上。澳大利亞昆士蘭大學(xué)RoboRoos2001機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)動與轉(zhuǎn)向功能集成在一個輪子上完成，并將驅(qū)動電機放在輪子中。如斯坦福大學(xué)的OussamaK研制的全方位移動操作機器人輪子為3個Rover輪[12]。3.3球輪系球輪是由滾動球、滾子支撐桿、和一系列驅(qū)動滾子組成[13]。在底盤上固定滾子支撐桿，在一個繞球體中心轉(zhuǎn)動的支架上固定驅(qū)動滾子。每個球輪上的驅(qū)動滾子是單獨由一個電機驅(qū)動，使球輪繞驅(qū)動滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動，同時也可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動。3.4MutualYoYo輪系如圖3-3所示，MutualYoYo輪(即MY輪)由兩個切去球冠和中間局部的球體組成，這兩局部球共同由1個旋轉(zhuǎn)主軸，與各自的被動旋轉(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)速來減少運動誤差[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)滾子的切換運動方式，安裝有該輪子的移動機構(gòu)在換向和運動的過程中和地面的接觸點都不改變，在運動過程中機構(gòu)的震動的概率減少為零，同時打滑現(xiàn)象減少發(fā)生。新加坡國立大學(xué)的LiYP與MHJrAng研制的全方位移動操作機器人，該全方位移動機器人的輪子為4個偏心輪。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)動時，各個小輥子的包絡(luò)線為圓柱面，能夠連續(xù)地向前滾動。圖3-4麥克納姆輪單個Mecanum的外形裝有多個能夠自由轉(zhuǎn)動的鼓形輥子，輥子的軸線與輪轂的軸線成α〔通常為45°〕角度。這樣的全向輪構(gòu)造緊湊，運動靈活，具備了前后、左右、自轉(zhuǎn)三個自由度運動，是很成功的一種全方位輪〔圖3-4〕。圖3-5Uranus機器人起初麥克納姆輪裝載的輪子為四輪構(gòu)造，美國卡耐基-梅隆大學(xué)的PatrickF.Muir在1987年研制成首個基于Mecanum輪全方位移動機器人“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運用EyrBot內(nèi)核研制的四Mecanum輪全方位移動小車，如圖3-6所示。后來馬賽諸塞大學(xué)Olaf和Diegel在2002年研制的小輥子與大輪子的夾角可調(diào)的Mecanum輪移動小車[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小車6種全方位輪應(yīng)用于移動小車的研究領(lǐng)域，比照研究發(fā)現(xiàn)Mecanum輪承受能力強，安裝麥克納姆輪的全向移動小車的車輪與懸掛位置相對固定，無需獨立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，僅利用各輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的配合就可以實現(xiàn)全方位移動功能，系統(tǒng)構(gòu)造簡單、可靠，控制相對簡單，在實際使用中最為廣泛。4主流輪式全向移動小車體系構(gòu)造輪式全向移動小車體系構(gòu)造主要由移動小車機械、硬件、軟件組合而成。機械局部根據(jù)移動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)機械布局選擇適宜的硬件配置，擬實現(xiàn)預(yù)期功能；軟件局部根據(jù)移動小車的機械構(gòu)造和硬件配置，編程實現(xiàn)移動小車的全向移動功能。4.1機械構(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蛞苿有≤囇芯恳讶〉玫闹饕晒?，按車輪數(shù)目對三輪構(gòu)造和四輪構(gòu)造進展分析總結(jié)。4.1.1三輪構(gòu)造在三輪構(gòu)造中，主要是MY輪全向移動小車。MY輪〔見3.4小節(jié)〕全向移動小車的是一種全新的全向移開工具，主要零部件包括驅(qū)動輪、主動軸、被動軸及移動平臺等。見圖4-1，三輪構(gòu)造中輪子相互之間夾角為120°分開布置在移動平臺上，分別由3個直流伺服電機同步帶驅(qū)動。運用球體的運用原理，通過兩局部球體接觸區(qū)與非接觸區(qū)的相互補充來實現(xiàn)萬向移動功能。圖4-1MY輪全向移動平臺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)小車機械系統(tǒng)構(gòu)造可分為全向輪系，底盤，緩沖裝置，四個全向輪分別由四個電機獨立控制。車體各輪間通過轉(zhuǎn)速和旋向的配合即可實現(xiàn)移動小車的全方位運動。圖4-2Mecanum四輪全方位移動平臺機械構(gòu)造考慮實際路面的平整性，還需在移動平臺上安裝緩沖機構(gòu)，保證移動機構(gòu)的四輪與地面的可靠接觸。為減少平臺的振動，可在輥子與其轉(zhuǎn)軸之間填裝滾珠軸承，以降低運行時的噪聲。4.1.3兩者比擬采用三輪構(gòu)造的三個輪一般按120°分布排列，共有三種驅(qū)動方式：〔1〕前輪由電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，后輪驅(qū)動；〔2〕小車的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向都由前輪實現(xiàn)；〔3〕前輪為萬向輪，后輪各有一個電機驅(qū)動，實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動。在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體環(huán)境要求來選擇適宜的控制方式，以到達預(yù)期目標(biāo)。其特征是采用三輪構(gòu)造，平臺構(gòu)造上采用板柱構(gòu)造，各層采用支撐桿及螺絲連接，車輪采用球體運動原理，通過局部球體接觸區(qū)和非接觸區(qū)的相互補充來實現(xiàn)萬向移動的功能。采用三輪構(gòu)造的優(yōu)點：在足球機器人的比賽中，移動平臺運動快速靈活，控制簡單，進攻性強等。采用三輪構(gòu)造的缺點：三輪構(gòu)造僅僅在實驗室或各種足球機器人比賽中使用較為廣泛，在現(xiàn)實生活中使用不廣泛。采用四輪構(gòu)造一般采用Mecanum輪構(gòu)造，Mecanum輪承載能力較強，安裝與懸掛位置相對固定，無需獨立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，僅是利用各輪上的無刷直流電機通過軟件對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進展編程控制即可實現(xiàn)全方位移動功能。在四輪構(gòu)造中的特征是輪子有多種布置方式，王一治[18]在分析四輪機構(gòu)的全方位運動條件時建設(shè)其運動學(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：移動小車的載重能力強，系統(tǒng)構(gòu)造較三輪構(gòu)造簡單、可靠，控制相對容易。采用四輪構(gòu)造的缺點：四輪小車體系構(gòu)造在運動控制方面較三輪構(gòu)造難分析，移動小車還存在車輪側(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)造的全向移動小車在足球機器人的比賽上研究較為深入，但在現(xiàn)實生活中，四輪機構(gòu)的Mecanum輪移動小車承載能力強，通過軟件編程就能實現(xiàn)小車全向移動功能，使用最為廣泛。4.2硬件控制模塊移動小車無論是三輪構(gòu)造還是四輪構(gòu)造，要實現(xiàn)全向移動功能，就需要硬件配以控制電路進展控制。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，電機驅(qū)動模塊，通訊模塊等，圖4-3為四Mecanum輪移動平臺硬件架構(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機主控制器電源DC模塊電機驅(qū)動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪電機驅(qū)動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪電機驅(qū)動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪電機驅(qū)動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪按鍵輸入三維手柄LCD圖4-3基于Mecanum輪移動平臺硬件架構(gòu)4.2.1主控制器模塊主控制器模塊是根據(jù)人機交互模塊(或上位機)輸入的運動要求和四輪驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、電流反響來重新控制四輪驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。主控制器主要采用DSP、PLC或者單片機對小車本體進展運動控制，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系統(tǒng)的擴展和靈活性，可以根據(jù)環(huán)境的需要選擇不同型號的DSP，使用型號為TMS320F2812DSP作為主控制器時，由于其高速浮點運算，可以大大的提高程序上數(shù)據(jù)處理能力。該型號處理器還能實時測出移動小車在運動過程中加速度、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為TMS320LF2407A[19,20]的DSP作為主控模塊的微處理器，采用藍牙模塊進展無線通訊，由數(shù)字信號處理器(DSP)單獨驅(qū)動電機。每個DSP都發(fā)出兩路獨立的PWM信號對兩個電機進展控制。DSP之間通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線進展通訊，傳輸上位機指令、反響速度信號及傳感器數(shù)據(jù)〔見圖4-4〕。藍牙無線藍牙無線通訊模塊DSP1DSP2紅外線傳感器驅(qū)動1電機1碼盤1射門系統(tǒng)驅(qū)動2電機2碼盤2驅(qū)動3電機3碼盤3驅(qū)動4電機4碼盤4控球驅(qū)動控球電機CANRS232RS232圖4-4機器人硬件系統(tǒng)整體構(gòu)造采用ARM7LPC213x+AVRMega16單片機的多級主從構(gòu)造，軟件和硬件都采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計可以完成一種小巧、靈活的智能型全向移動機器人電控系統(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確運動控制角度講就要性能較好的DSP處理器，在完善的檢測控制電路上實現(xiàn)閉環(huán)反響控制。DSP處理器有多種型號，TMS320F2812裝置采用雙電源設(shè)計，實時性好，功耗低，體積小，集成度高，具有很強的可擴展性，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，但其編程的靈活性較差，系統(tǒng)擴展性缺乏。如果僅是為了通過控制電路來直觀的測試Mecanum全向輪的全方位運動功能，可以選用單片機〔MCU〕控制實現(xiàn)開環(huán)應(yīng)用。4.2.2傳感器模塊為實現(xiàn)機器人智能控制，需以傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)視覺或接近覺功能，而實現(xiàn)感知功能的有多種傳感方式：1〕采用CCD攝像頭進展圖象采集和識別方法，但在大體積系統(tǒng)中使用不便。2〕基于檢測對象外表，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，它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管〔或光敏三極管〕[22]。在實際中，如傳感器要感知的對象是物體的接近程度，可選用紅外線反射式光電傳感器，這種傳感器與準確的測距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，如果是實現(xiàn)小車尋跡，可使用較簡單的接近傳感器。如果想得到清晰的探測結(jié)果，就需采用CCD攝像頭進展圖像采集和識別，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，還有電動機模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊、通信模塊等。驅(qū)動器通常情況下可采用直流電機、步進電機和舵機等幾種類型。這幾種電機都有各自的優(yōu)缺點，通過分析比照幾種電機的優(yōu)缺點可選擇符合要求的電機，見表4-1。表4-1不同類型電機的優(yōu)缺點比擬類型直流電機步進電機舵機優(yōu)點型號多、購置容易、功率大、接口簡單、調(diào)速容易等。型號多、易購得、接口簡單、價格廉價等。型號多、價格廉價、接口簡單、功率中等、內(nèi)部帶齒輪減速器。缺點構(gòu)造復(fù)雜、價格較貴、電流通常比擬大、控制相對復(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、負載能力低、功率小等。負載能力低、速度調(diào)節(jié)范圍小、維護復(fù)雜等。直流電機雖然構(gòu)造復(fù)雜，價格偏貴，但轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍大、低速運動平穩(wěn)及力矩波動小等優(yōu)點，可作為該全方位移動小車的驅(qū)動器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)造上還有電源管理模塊負責(zé)平臺電源，反響電供電狀態(tài)，完成過流、欠壓、過壓保護和電池電量監(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單片機軟件分析如果使用STC89C52單片機作為主控模塊，選用兩只TCRT5000型光電對管紅對管，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。啟動啟動循跡檢測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)運動模型分析和硬件設(shè)計，編寫DSP軟件,流程圖如圖4-6所示。DSP對無線方式接收到的數(shù)據(jù),根據(jù)協(xié)議進展處理,提取出運動方式和相關(guān)參數(shù),調(diào)用各運動模式子程序,以完成相應(yīng)位姿運動；同時也將采集到的速度值經(jīng)過無線模塊傳送給上位機，以便進展數(shù)據(jù)處理、比對和監(jiān)控。開場開場初始化收到停頓信號提取運動參數(shù)旋轉(zhuǎn)運算邊平移邊轉(zhuǎn)身運算平移運算電機驅(qū)動電機停頓完畢NY選擇運動方式圖4-6DSP主程序流程圖4.4三種控制方式輪式全向移動小車通過全向視覺攝像機和圖像采集模塊360°觀察。主控模塊通過PCM-8150處理圖像，以實現(xiàn)決策功能。運動控制模塊上采用以TMS320F2812為核心的DSP通過RS232與運動控制卡進展通信，通過速度負反響和PID控制算法，采用PWM方式控制四路電機以實現(xiàn)全方位運動。另外，移動小車還可以通過無線通訊模塊實現(xiàn)無線遙控[23]。以下先對全向移動小車進展運動學(xué)分析，進而引出全向移動小車的三種控制方式。圖4-7Mecanum輪機器人的構(gòu)造Mecanum輪移動小車的車輪布局如圖3-7所示。設(shè)機器人的廣義速度為(vx，vy，ωz)T，(ω1，ω2，ω3，ω4)T表示各輪的轉(zhuǎn)速。輥子軸線與輪轂軸線的夾角為α，小車的半車長和半車寬為L和ι，車輪半徑為R。根據(jù)運動學(xué)分析，Mecanum輪機器人的正運動學(xué)方程為：·······························〔1〕逆運動學(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現(xiàn)機器人的全方位運動。4.4.1全向自主模式移動小車在全向自主模式下，根據(jù)全向攝像機檢測到的環(huán)境信息，在簡單、光照明亮、干擾少的環(huán)境下自主的進展路線規(guī)劃，以實現(xiàn)智能控制運動。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)識別，自定位控球球門較遠正對球門距離較遠直接射門帶球運動向球運動調(diào)整姿態(tài)調(diào)整姿態(tài)NNNNYYYY圖4-8足球機器人全向自主控制流程全向自主控制模式以足球機器人為例，控制流程如圖4-8所示。整個流程分圖像處理和運動決策兩局部，圖像處理過程中，全向攝像機實時獲取場地的圖像信息，在動態(tài)存儲空間上完成顏色轉(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，識別出場地上的球門和球并計算出目標(biāo)與機器人的距離和角度后進入運動決策流程。進展決策后就做出相應(yīng)動作，完成比賽任務(wù)。4.4.2全向循跡模式在全向自主模式下，機器人要實現(xiàn)全自主運動，對光照、場地等環(huán)境條件的要求較高且抗干擾性較差。為了增強實用性和穩(wěn)定性，通常采用單向視覺系統(tǒng)USB攝像機，在標(biāo)識線引導(dǎo)下沿預(yù)定路線運動，屬于智能程度最高控制模式。(ω1(ω1,ω2,ω3,ω4)T模糊控制器DSP控制器電機移動機構(gòu)編碼器USB攝像機(ωs1,ωs2,ωs3,ωs4)T(xs,ys,θs)T(x0,y0,θ0)T圖4-9機器人的根本控制構(gòu)造全向循跡模式下，機器人根本控制構(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器人的期望位姿(x0,y0,θ0)T與攝像機拍到的實際位姿(xs,ys,θs)T的差異，利用模糊控制的方法得出機器人的期望速度，DSP控制器通過比擬期望轉(zhuǎn)速與編碼器返饋的實際轉(zhuǎn)速(ωs1,ωs2,ωs3,ωs4)T的差異，采用PID算法對電機進展控制。4.4.3遙控傳感模式在復(fù)雜的環(huán)境中工作，全向移動小車還可以通過采用遙控控制模式手動控制小車運動，如圖4-10所示。在遙控模式下，遙控手柄按動搖桿，電壓發(fā)生變化，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到主處理器對移動小車進展控制，例如：按動搖桿1可以使移動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,全向移動小車的自主性智能性最高同時對環(huán)境及光照條件的要求也最高。尋跡模式下,全向移動小車對環(huán)境的依賴度降低,抗干擾性提高,但只能沿預(yù)定路線運動。遙控模式彌補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器人的靈活性和效率,擴大應(yīng)用范圍,保證機器人的穩(wěn)定性和實用性。4.5本章小結(jié)全向移動小車無需改變車體姿態(tài)即可實現(xiàn)任意方向的移動和任意半徑的旋轉(zhuǎn),本章首先分析了Mecanum輪全向移動小車的機械構(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