摘要：本設(shè)計(jì)研究了一種全向輪式運(yùn)動控制的控制算法、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)動控制模塊的整體硬件設(shè)計(jì)，同時實(shí)現(xiàn)全向輪控制系統(tǒng)的坐標(biāo)定位、運(yùn)動控制的整套算法

關(guān)鍵詞：全向輪,機(jī)器人,運(yùn)動控制

0引言

近年來，全向輪式機(jī)器人移動靈活的優(yōu)勢使其技術(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)動而不需要事先作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且在以直線運(yùn)動到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的過程中同時可以做自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動調(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)器人中移動機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人的靈活性也越來越凸現(xiàn)其重要性。因此，目前全向輪式機(jī)器人運(yùn)動控制方式已逐漸成為一種機(jī)器人運(yùn)動方式的發(fā)展趨勢。

1全向輪及其運(yùn)動控制底盤形式

1.1全向輪簡介

全向輪包括輪轂和從動輪，該輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設(shè)有一從動輪，該從動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)簡單、適用范圍廣、可以在較差的路況上運(yùn)動的結(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個小滾子(件3)，小滾子的母線與輪緣線一致，兩層之間錯開30°布置，使內(nèi)外兩層小滾子的母線相互銜接形成一個完整的圓周。這樣，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時，各層上的滾子可以交替接觸地面，保證滾動的連續(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)動靈活，機(jī)構(gòu)效率較高、承載能力較強(qiáng)．整個輪既可以在驅(qū)動力距作剛下向前滾動．又可以橫向滑移．由幾個這種輪加以組合，很容易使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位移動。

1.2全向輪式運(yùn)動控制方式的底盤形式

對于全向輪式運(yùn)動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)卻又會帶來底盤剛度不夠的問題，并且會耗費(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其進(jìn)行理論上的指導(dǎo)。因此，經(jīng)過理論分析與實(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)動控制方式的路徑規(guī)劃算法

對于全向輪的運(yùn)動控制，需要研究的主要有以下幾個方面：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

對于運(yùn)動系統(tǒng)的坐標(biāo)定位，最重要的信息量有三個：運(yùn)動系統(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)動系統(tǒng)向右旋轉(zhuǎn)角度為正。

首先，需要通過一定的測量工具來獲得這三個重要量。對于坐標(biāo)X、Y的獲取，我們購買了小型的全向輪，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)動時，我們就能獲得車身系統(tǒng)的X、Y坐標(biāo)。對于車身的角度方向，我們選擇了光纖陀螺儀作為導(dǎo)航儀器。

對于碼盤全向輪，我們購買了兩種外觀、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)問題容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，測量過程中丟數(shù)較為嚴(yán)重。而第二種全向輪小輥?zhàn)訛橄鹉z材質(zhì)，雖然輪子個數(shù)較少，但測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)需要一種算法來實(shí)時更新機(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)動學(xué)分析

系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)方程如下：

得到車身實(shí)際速度，與期望的值相減做一個反饋。

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

3.1運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)使用兩個單片機(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)來完成機(jī)器人的運(yùn)動控制算法。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

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

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