吳曉林，陳益萍，蔣日乾，林國英

福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州 350116

傳統(tǒng)的輪式轉(zhuǎn)運設(shè)備由普通車輪構(gòu)成的行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成，在轉(zhuǎn)運空間有限、工作通道狹窄的情況下，存在著轉(zhuǎn)彎半徑大、空間利用率低、運動靈活性差、轉(zhuǎn)運效率不高等諸多缺點。基于全向輪技術(shù)的全向移動平臺切實解決了該難題。本文提出一種全向輪式移動設(shè)備，其可以在二維平面上產(chǎn)生三個自由度的全向運動。采用電子羅盤和陀螺儀來完成車身的姿態(tài)控制，同時根據(jù)攝像頭得到的位置信息來計算下一步的速度方向，基于該速度方向來協(xié)調(diào)三個固定角度差的步進電機的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到零轉(zhuǎn)彎半徑的靈活運動。

1 全向移動小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 全向輪結(jié)構(gòu)選擇

全向輪由輪轂和從動輥輪組成。輪轂外圓周處均勻開設(shè)有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設(shè)有一個從動輥輪，從動輥輪徑向方向與輪轂外圓周切線方向垂直，全向輪的這種互補結(jié)構(gòu)提供了較好的承載力。本文選用三輪底盤，三個萬向輪的安裝采用兩兩成120度對稱分布，通過三個速度的合成實現(xiàn)小車的全向運動。

1.2 陀螺儀和電子羅盤選擇及安裝

要保持車身姿態(tài)不變，首先要得到車身的姿態(tài)數(shù)據(jù)，本設(shè)計采用電子羅盤來檢測車身姿態(tài)。電子羅盤的工作原理是通過磁傳感器中兩個相互垂直軸感應(yīng)地球磁場的磁分量，通過地磁場在X軸和Y軸的兩個分矢量值來確定車身方位值。電子羅盤內(nèi)置溫度補償，可以最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度，電子羅盤噪聲較大，通過陀螺儀進行濾波積分，能夠得到車身前進角度，對車身進行姿態(tài)控制。采集陀螺儀角速度AD值，經(jīng)過縮放積分后得到旋轉(zhuǎn)角，與電子羅盤的角度擬合和濾波，形成控制偏差角，用于全向平臺的姿態(tài)控制。數(shù)字羅盤與底盤平行安裝，陀螺儀與底盤垂直安裝，兩者是構(gòu)成本文所設(shè)計的全向移動平臺的核心。

2 全向移動平臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 實驗平臺設(shè)計

本設(shè)計的系統(tǒng)組成如圖1。其中控制器選用Freescale公司的高性能芯片MK60DN512ZVLL10，具有32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，工作主頻可達(dá)200MHz，可為復(fù)雜算法運行提供硬件基礎(chǔ)。芯片中的FTM模塊所提供的PWM功能用于驅(qū)動電機，實現(xiàn)電機速度和轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)，DMA功能對電機進行速度閉環(huán)調(diào)控，IIC模塊與GY-26進行數(shù)據(jù)通信獲取車體角度，GPIO模塊驅(qū)動LED顯示屏，顯示相關(guān)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 車身姿態(tài)控制設(shè)計

本設(shè)計選用GY-26電子羅盤和ENC-03陀螺儀。GY-26是一款低成本平面數(shù)字羅盤模塊，輸入電壓低，功耗小，體積小，精度高，穩(wěn)定性高，并且具有重新標(biāo)定的功能，能夠在車體運動到任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，為陀螺儀積分運算提供精確的標(biāo)準(zhǔn)量。ENC-03是一款以陶瓷材料為主要原料的角速度傳感器，是單軸陀螺儀模塊，其通過角加速度原理，將車體運動偏移產(chǎn)生的位移，轉(zhuǎn)換成電壓傳給MCU。陀螺儀角加速度積分運算后得到車體旋轉(zhuǎn)角的角度，將其與電子羅盤反饋的角度擬合和濾波，形成偏差角度，進行車身姿態(tài)控制。

全向移動平臺要求車體能進行回轉(zhuǎn)半徑為零的運動。傳統(tǒng)模式下車體運動轉(zhuǎn)彎時，輪子進行偏轉(zhuǎn)，車體由于慣性有一個旋轉(zhuǎn)的角度，為了實現(xiàn)車體的姿態(tài)不變，需要對這個旋轉(zhuǎn)角進行修正。本設(shè)計采用陀螺儀和電子羅盤反饋獲取姿態(tài)修正角度Angle，系統(tǒng)則根據(jù)此時的修正角度Angle發(fā)出指令，讓車體向旋轉(zhuǎn)軸相反的方向旋轉(zhuǎn)Angle，這樣，車體就能保持同一姿態(tài)進行運動。

圖2 車身姿態(tài)控制

2.3 全向運動平臺運動分析

在實現(xiàn)了上述對車身姿態(tài)的定型控制后，就可以將其當(dāng)成一個理想質(zhì)點來進行車身運動方向的控制。若設(shè)定運行速度為Speed，車身運行方向角度為angle，A電機速度為SpeedA，B電機速度為SpeedB，C電機速度為SpeedC，則有：

可以根據(jù)這三個速度的矢量值，計算出車子的最終速度值和方向值。舉個例子，假定Speed=10，angle=30°，那么

就可以算出車子的合成速度，具體見圖3。

圖3 車子速度合成圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計的由陀螺儀傳感器與電子羅盤進行萬向輪姿態(tài)定型與運動控制的全向移動平臺，結(jié)構(gòu)簡單，定位精確，靈活簡便，特別適用于各種狹小惡劣的環(huán)境，有良好的市場應(yīng)用前景。

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