李世光，申夢茜，王文文，高正中

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

一種Mecanum輪式移動平臺增量PID控制系統(tǒng)設計

李世光，申夢茜，王文文，高正中

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

摘要：為保證移動平臺在復雜環(huán)境中具有良好的動態(tài)響應特性，設計了一種以STM32F405單片機為控制核心，基于Mecanum輪的全方位移動平臺。采用基于Mecanum輪的H橋驅(qū)動電路，利用大電流、低阻抗的MOS管提高電機的驅(qū)動能力， 應用LM2903，LMV611實現(xiàn)過電流、過電壓保護功能；利用增量式PID控制策略，抑制電機啟動電流，改善動態(tài)性能；將采集的視頻信息通過無線圖傳發(fā)送給控制臺，利用遙控器對移動平臺進行實時控制。測試結(jié)果表明，移動平臺運動靈活，越障能力強，實時性和可控性滿足項目設計要求。

關(guān)鍵詞：STM32F405；Mecanum輪；移動平臺；增量式PID

工作空間狹窄、地形復雜的場所對輪式運轉(zhuǎn)設備的靈活性、通過性以及環(huán)境的適應性等性能有很高的要求，例如地表探測、地震救災現(xiàn)場或設備密布的車間等?；贛ecanum輪的移動平臺可以在狹小的工作空間內(nèi)靈活地實現(xiàn)三自由度運動，使平臺整體在姿態(tài)保持不變的情況下，沿任意路徑到達目標位置，能夠很好地完成項目要求[1]。

國內(nèi)不少文獻對Mecanum輪的控制進行了研究，如文獻[2]模糊滑模軌跡跟蹤控制算法在Mecanum輪全方位移動平臺的應用，文獻[3]四輪全方位系統(tǒng)的運動性能分析及結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選，文獻[4]基于SimMechanics 模型的 PID(proportion integral derivative)控制等，但上述研究均側(cè)重于Mecanum輪模型分析和控制算法的研究。本設計將Mecanum輪技術(shù)工程化，重點分析基于STM32的控制系統(tǒng)和增量式PID調(diào)速性能。

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

全方位移動平臺控制系統(tǒng)主要由STM32F405微處理器、直流電機驅(qū)動模塊、電源模塊和無線通信等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。遙控器通過無線通信模塊與STM32處理器通信，傳輸控制命令。處理器收到控制直流電機命令時，給直流電機輸出PWM(pulse width modulation,脈寬調(diào)制)信號，通過調(diào)節(jié)4個Mecanum輪的轉(zhuǎn)向和速度實現(xiàn)平臺的全方位變速移動[5]。

圖1　系統(tǒng)框圖

2主要模塊設計

2.1主控模塊

平臺控制系統(tǒng)選用STM32F405作為處理器，該芯片使用高性能ARM Cortex-M432位RIRS內(nèi)核，工作頻率高達168 MHz，15個I/O端口(3個I2C接口，4個USART接口，3個SPI接口等)用于連接外部設備，并集成了2個DAC、3個ADC、定時器、實時時鐘、CRC計算單元和模擬隨機數(shù)發(fā)生器等在內(nèi)的整套先進外設。處理器通過4個PWM定時器驅(qū)動平臺4個直流電機，1個ADC用于H橋輸出電流的過流保護，2路通信接口分別用于遙控器接收輸入和調(diào)試等。

2.2Mecanum輪平臺電機驅(qū)動模塊

根據(jù)機器人響應速度快、越障能力強的要求，設計了一種H橋驅(qū)動電路，實現(xiàn)對全方位平臺的運動速度和方向的控制(圖2)。H 橋的2個上臂選用電流為74 A，導通阻抗為175.0 mΩ的P 溝道MOSFET IRF4905，2片TLP250作為MOS管柵極驅(qū)動芯片；2個下臂選用大電流(110 A)、低阻抗(8.0 mΩ)的N溝道MOSFET IRF3205，其驅(qū)動芯片選用IR4426。H 橋電路輸出額定電流達40 A，滿足平臺快速加減速時對電機的驅(qū)動控制要求。通過調(diào)節(jié)STM32F405輸出的4路PWM波的占空比，實現(xiàn)對4個直流電機的調(diào)速，從而控制4個萬向輪的轉(zhuǎn)速，完成平臺在平面的全方向移動。

H 橋電路可以方便地實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制，如電機正向轉(zhuǎn)動，BG1 和BG4 導通，此時BG2 和BG3 截止。反之，BG2和BG3 導通，BG1 和BG4 截止[6]?？刂茣r序如圖3所示。

圖4是平臺左前輪電機的邏輯輸出驅(qū)動電路。假設PWM輸出端、單片機引腳PB11、PB12均輸出高電平，PB13輸出低電平，則74LS32輸出高電平，74F02輸出低電平。最終BG4導通，BG3關(guān)閉，BG1管導通，BG2管關(guān)閉，實現(xiàn)了電機的反轉(zhuǎn)功能。電壓比較器LM2903實現(xiàn)了電流過流保護，單片機的DAC輸出電機過流閾值(由多次實驗確定)，當電機發(fā)生過流時，比較器輸出高電平，封鎖H橋的控制信號，同時信號被單片機捕獲，進行保護處理。同時在LMV611電路接入4個0.5 Ω 的大功率電阻，實現(xiàn)對H 橋電路的電流檢測和保護功能。

3系統(tǒng)軟件設計

選用Keil μVision4 軟件開發(fā)系統(tǒng)，采用C語言編程。上電后控制程序首先進行初始化，包括時鐘配置，延時函數(shù)初始化、串口的初始化和定時器的初始化。系統(tǒng)中定時器分別用于PWM信號的產(chǎn)生：TIM8_CH1輸出PWMA驅(qū)動左前輪，TIM8_CH2輸出PWMB驅(qū)動左后輪，TIM8_CH3輸出PWMC驅(qū)動-右前輪，TIM8_CH4輸出PWMD驅(qū)動右后輪。通過設置4路PWM波的占空比，實現(xiàn)4個直流電機的調(diào)速。

圖2　H橋驅(qū)動電路原理圖

圖3　控制時序圖

由于場地的復雜性，移動平臺的速度與路面的變化有很大關(guān)系。增量式PID調(diào)節(jié)算法數(shù)學模型簡單，有著保持較小的超調(diào)和快速調(diào)節(jié)控制的優(yōu)點[7]，在本設計中用于電機的驅(qū)動。系統(tǒng)控制的對象是額定電壓24 V，額定功率60 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的空心杯直流電機。通過反復調(diào)試，配置合適的PID參數(shù)，使移動平臺的速度穩(wěn)定性和電機的響應速度都得到較大提高。

算法的實現(xiàn)須兼顧運算量和微控制器的處理性能，保證控制的實時性。過程控制中，只輸出相關(guān)控制量的增量Δu(k)。增量PID控制算式：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=kpΔe(k)+kie(k)+kd[Δe(k)-Δe(k-1)]。

(1)

其中：u(k)是第k次的全量輸出，e(k)是第k次輸入的偏差量。根據(jù)Δe(k)=e(k)-e(k-1)有：

(2)

綜合系統(tǒng)的響應速度、穩(wěn)定性、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度對系統(tǒng)的影響[8]，配置合適的增量PID參數(shù)kp，ki，kd，運用式(1)，計算控制增量。

圖4　底盤直流電機邏輯輸出驅(qū)動電路圖

表1　鍵盤數(shù)字量與機器人底盤運動形式的對應關(guān)系

采用標準鍵盤和鼠標作為遙控器，利用無線通信模塊傳輸控制命令[8]。本設計鍵盤采用的數(shù)字量與對應的字符含義如表1所示。

鼠標X軸、Y軸數(shù)字量的變化范圍是-32 768～32 767，靜止是0。鼠標在X軸位置時，垂直方向的數(shù)字量不變，鼠標向左滑動，數(shù)字量0～-32 768，代表平臺向左轉(zhuǎn)向；鼠標向右滑動，數(shù)字量0～32 767，代表平臺向右轉(zhuǎn)向，X軸數(shù)字量絕對值越大，平臺轉(zhuǎn)動角度越大。平臺啟動后，操作員依據(jù)圖傳模塊傳回的圖像對移動平臺進行實時控制。遙控器發(fā)出動作時，控制器判斷是否接收到信號，若收到信號，則根據(jù)接收到的信號，判斷平臺應當進行何種動作，從而控制各模塊的互相配合動作，最終實現(xiàn)平臺與無線遙控器按鍵相對應的功能[9]。

4試驗結(jié)果與分析

在完成移動平臺硬件設計、樣機搭建和軟件開發(fā)后，在一個設有高地、陡坡、凹地等多種障礙物的面積1 000 m2場地進行測試。圖5是移動平臺樣機。場地測試的實際效果是：平臺運動靈活，在0～360°運動過程中，平臺轉(zhuǎn)角的最大控制誤差為0.1°，且動態(tài)調(diào)節(jié)速度快，易于實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換以及高頻度的起停運轉(zhuǎn)，平穩(wěn)可靠，能夠很好地適應復雜、狹窄的環(huán)境。

圖5　移動平臺樣機

通過設定電機的目標轉(zhuǎn)速，分別對移動平臺在常規(guī)PID和增量PID控制策略下的動態(tài)性能進行仿真分析。圖6是平臺啟動時的動態(tài)響應特性曲線，實線是常規(guī)PID控制，虛線是增量式PID控制?？梢钥闯?，常規(guī)控制在0.8 s時超調(diào)量趨近于0，而增量PID控制在0.5 s時超調(diào)量已接近為0，相對于常規(guī)算法超調(diào)時間明顯縮短，說明控制算法具有良好的動態(tài)響應。圖7是轉(zhuǎn)速控制對比圖。從啟動到穩(wěn)定經(jīng)過了3個階段，首先遙控器按下W鍵(前進)，增量式PID控制比常規(guī)控制早0.42 s達到預定轉(zhuǎn)速，接著按下shirt加速鍵，采用增量PID控制的系統(tǒng)經(jīng)0.15 s很快跟隨達到最高轉(zhuǎn)速，之后在3 s時突然加額定負載，電機電流上升，轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)經(jīng)過0.2 s的調(diào)節(jié)，迅速回到給定值，而常規(guī)PID控制經(jīng)過0.4 s接近穩(wěn)定值，說明采用增量PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)平臺，可以實時跟隨遙控器命令，有良好的可控性。該平臺成功應用在全國機器人超級對抗賽上，取得了優(yōu)異的成績。

圖6　平臺動態(tài)響應特性

圖7　Mecanum輪轉(zhuǎn)速控制分析

5結(jié)論

研究了一種基于STM32F405的全方位移動平臺。H橋的過流保護等功能滿足了平臺快速加減速時對電機的驅(qū)動控制要求。對平臺在常規(guī)算法和基于增量式PID調(diào)節(jié)控制算法下的動態(tài)響應和轉(zhuǎn)速控制進行仿真對比表明，增量PID控制算法不僅簡化了控制思路，而且比常規(guī)PID控制更流暢，電機響應速度更快。從實際測試結(jié)果可以看出，該平臺在復雜地勢的環(huán)境下，電機超調(diào)量小、越障能力強，具有廣闊的應用前景。

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(責任編輯：呂文紅)

Mobile Platform Incremental PID Control System Design Based on Mecanum Wheels

LI Shiguang,SHEN Mengxi,WANG Wenwen,GAO Zhengzhong

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:To ensure the good dynamic response characteristics of the mobile platform in complex environments,a Mecanum wheel-based omni-directional mobile platform with STM32F405 as the command core was designed.H bridge driving circuit based on Mecanum wheels was used in this design.With MOS transistor of high current and low impedance to increase the motor’s drive ability,LM2903 and LMV611 to achieve the function of overcurrent and overvoltage protection,and incremental PID control strategy to inhibit the motor’s starting current and to improve the dynamic performance,this platform sent the collected video information through wireless image transmission to the console which controlled the platform in real time by using remote control.Test results show that this mobile platform has the advantage of flexible movement and strong obstacle climbing capability and can meet the project design demands for realtime performance and controllability.

Key words:STM32F405;Mecanum wheel；mobile platform;incremental PID

收稿日期：2015-10-21

基金項目：中國博士后基金項目(2015T80729)

作者簡介：李世光(1962—),男,山東青島人,高級工程師,主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方面的研究. 申夢茜(1993—),女,山西長治人,碩士研究生,主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方面的研究. E-mail：604769042@qq.com

中圖分類號：TP249

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0086-05