(中國海洋大學 工程學院，青島 266000)

八輪全向移動平臺的控制系統(tǒng)設計

田浩

(中國海洋大學 工程學院，青島 266000)

針對目前國內(nèi)工業(yè)應用中提出的八Mecanum輪全向移動平臺的構想，提出其控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方案。研究通過八輪全向移動平臺的原理分析，提出總體設計方案，以STM32單片機為控制核心，通過接收遙控信號協(xié)同驅(qū)動8個Mecanum輪，實現(xiàn)移動平臺的全向移動以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動。詳述了控制系統(tǒng)軟硬件的模塊化設計，并在此基礎上研制了樣機。通過實驗驗證了控制系統(tǒng)設計的可行性，對于推進國內(nèi)全向移動平臺的工業(yè)化應用具有一定的意義。

Mecanum輪；全向移動平臺；STM32

引 言

Mecanum輪全向移動平臺[1]能夠?qū)崿F(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向移動(包括橫、縱、斜向移動)以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動[2]，同時由于構成簡單、控制敏捷、穿轉(zhuǎn)性好等特點，近年來應用程度增大。然而，穩(wěn)定、簡單、高效的控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)具有一定的難度，在一定程度上制約了全向移動平臺的發(fā)展與應用。目前，全向移動平臺全較多采用三個或四個Mecanum輪驅(qū)動[3-4]，通過輪組有差異的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速協(xié)同控制，實現(xiàn)全向運動。

考慮到重載的使用要求，三輪及四輪全向移動平臺驅(qū)動能力略顯不足，所以采用更多Mecanum輪協(xié)同驅(qū)動技術是合理的選擇?；谝陨峡紤]提出一種由8個Mecanum輪協(xié)同驅(qū)動的全向移動平臺[5]，八輪全向移動平臺控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)是實現(xiàn)系統(tǒng)運動控制的關鍵技術，通過對系統(tǒng)原理的分析，提出總體設計方案，完成了八輪全向移動平臺控制系統(tǒng)的設計，并研制了樣機，最后通過實驗驗證了控制系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)原理分析及總體設計

圖1 Mecanum輪

Mecanum輪在 1973 年由瑞士工程師首先設計提出[6]，與普通的輪胎不同，其外面一圈分布了一定數(shù)目的小輥子(具體個數(shù)由設計決定)，外形像一個斜齒輪，而輪齒則換成了經(jīng)參數(shù)化設計的小輥子[7]。圖1中輥子的軸線與輪的軸線成角度，并且輥子可繞自身軸線自由地旋轉(zhuǎn)。這些輥子輪廓包絡面與輪子的圓柱面相重合。這樣特殊的結(jié)構使得輪子具備了3個自由度[8]：繞主輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂線方向的平動，以及繞小輥子與地面接觸點轉(zhuǎn)動。Mecanum輪在任意一個方向上有能力主動移動的同時，在其他方向上也有其被動移動的特性[7]。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，輪子以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸方向前進，同時輪子周邊的輥子沿其各自的軸線自由旋轉(zhuǎn)。Mecanum輪這種特性決定了多個Mecanum輪組合可實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的移動(包括橫、縱、斜向移動)以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動。八輪全向移動平臺的控制系統(tǒng)則著重于實現(xiàn)八Mecanum輪協(xié)同驅(qū)動控制。

全向移動平臺通過八輪協(xié)同驅(qū)動實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的移動(包括橫、縱、斜向移動)和零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動的運動分解示意圖[9]如圖2～圖5所示。其中←代表電機向前轉(zhuǎn)動，→代表電機向后轉(zhuǎn)動。Fa、Fb為電機在轉(zhuǎn)動時作用在Mecanum輪的力的法向分力與軸向分力。

圖2 橫向運動

圖3 縱向運動

圖4 斜向運動

圖5 零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動

系統(tǒng)總體結(jié)構如圖6所示，全向移動平臺主控制器接收無線遙控模塊的控制信息后，進行數(shù)據(jù)綜合處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過串行通信的方式發(fā)送到外部D/A轉(zhuǎn)換模塊，外部D/A轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，輸出到信號調(diào)理電路，而信號調(diào)理電路則直接將調(diào)理后信號輸出到伺服驅(qū)動器，以實現(xiàn)電機控制。系統(tǒng)上電運行時，主控制器需要先通過伺服驅(qū)動器配置電路對伺服驅(qū)動器的工作方式進行配置，而后才能將控制信號輸出。此外，出于安全防護的角度考慮，給平臺加裝反射式光電對管和急停開關，可有效地減少系統(tǒng)的碰撞以及工作異常時不必要的損失。

圖6 控制系統(tǒng)的基本組成

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件采用了模塊化設計方式。硬件電路各模塊主要有：電源模塊、 MCU模塊、無線遙控模塊、傳感器模塊、外部D/A轉(zhuǎn)換模塊及信號調(diào)理電路、伺服驅(qū)動器配置電路、電機驅(qū)動模塊。

2.1 部分模塊簡介

電源模塊采用DC 48 V蓄電池，使用CNBOU公司生產(chǎn)的3 000 W正弦波逆變器將DC 48 V逆變?yōu)锳C220，為伺服電機供電；使用降壓式開關電源電路將AC220 V降壓為DC24 V，為伺服驅(qū)動器供電；使用DC24 V生成DC5 V、DC-5 V、DC3.3 V依次為外部D/A轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理電路以及MCU模塊供電。

MCU模塊采用意法半導體公司生產(chǎn)的低功耗的STM32F10系列單片機作為主控制芯片。其是基于Cortex-M3核心的32位微控制器，有512 KB片內(nèi)FLASH和64 KB片內(nèi) RAM，多達80個快速I/O口 ，其中許多I/O口為多功能復用口[10]，為本設計項目的開發(fā)提供了極大的便利。

無線遙控模塊選用深圳天地飛科技公司開發(fā)的型號為WFT06X-A 2.4 GHz 6通道比例遙控器和WFR06S 6通道比例接收機，可以同時傳輸6路獨立信號。由于設計要求全向移動平臺通過驅(qū)動控制全向移動平臺實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向的移動以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動，需要三軸獨立信號來控制，所以此遙控模塊能夠達到設計要求。STM32單片機具有輸入捕獲的功能，可實時采集無線遙控模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，聯(lián)合采集傳感器的信息，對信息進行綜合處理，輸出控制信息。

控制系統(tǒng)加入反射式光電對管模塊，主要出于對系統(tǒng)安全防護[11]的考慮。當全向移動平臺即將撞到或已經(jīng)撞到障礙物時，連接光電對管的I/O口由高電平變?yōu)榈碗娖剑琈CU模塊采用周期性循環(huán)掃描的方法對反射式光電對管輸出的信號進行采集，判斷全向移動平臺是否處于安全的運動位置。同樣，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或運行不正常時，可人為按下急停開關，斷掉所有電源，以達到保護系統(tǒng)的作用。

2.2 外部D/A轉(zhuǎn)換模塊及模擬信號調(diào)理電路

伺服驅(qū)動器速度控制模式選擇為模擬量電壓控制，電壓正負對應于伺服電機正反轉(zhuǎn)，電壓絕對值對應于伺服電機的速度量。由于8個伺服驅(qū)動器需要8路模擬電壓控制，而所選MCU模塊內(nèi)置只有2路12位D/A轉(zhuǎn)換器，因而設計外部D/A轉(zhuǎn)換模塊。 外部D/A芯片選用TI公司生產(chǎn)的具有內(nèi)置緩沖放大器的低功耗單片12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC7512，DAC7512芯片采用三線制(/SYNC，SCLK及Din)串行接口，8個DAC7512芯片的/SYNC與SCLK端口由STM32單片機兩路I/O口統(tǒng)一配置，8路Din端口由另外8路I/O口配置。一路外部D/A轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

圖7 一路外部D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換電路輸出電壓范圍為0～5 V，而伺服驅(qū)動器所接受的模擬控制電壓范圍信號為-5～5 V，所以要對D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓進行信號調(diào)理。首先利用基于LM358芯片的運算放大電路輸出后續(xù)電路所需要的-2.5 V電壓，然后將-2.5 V與D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬電壓，同時接入基于運放芯片LMC6482的模擬信號調(diào)理電路，把電壓0～5 V的模擬控制信號對應輸出為電壓-5～5 V的模擬控制信號，然后送入伺服驅(qū)動器控制端，實現(xiàn)對伺服電機 的方向和速度控制。其部分電路如圖8所示。

圖8 信號調(diào)理電路

2.3 伺服驅(qū)動器配置電路設計

圖9 伺服驅(qū)動器配置電路

伺服驅(qū)動器是保證八輪全向移動平臺能夠正常工作最重要的部分，對車體的整體運行有著決定性的作用。伺服驅(qū)動器選用安川∑-Ⅴ系列AC伺服驅(qū)動器，配以對應型號的伺服電機。伺服驅(qū)動器工作前，需要先對其工作模式進行配置，配置電路采用8位串行輸入/輸出或并行輸出的MC74HC595AD芯片。STM32單片機串行輸出二進制8位配置信息數(shù)據(jù)到MC74HC595AD芯片，MC74HC595AD芯片接收數(shù)據(jù)，處理后并行輸出這8位數(shù)據(jù)到QA～QH的8個端口。實際配置中只使用了8位數(shù)據(jù)中的前6位作為配置信號，這6位信號通過行列式排列三極管全配置8個伺服驅(qū)動器。通過行列式排列三極管間接配置伺服驅(qū)動器，起到信號的隔離與保護作用。部分伺服驅(qū)動器配置電路如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

STM32單片機讀取無線遙控模塊的實時數(shù)據(jù)，通過軟件系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)進行處理與輸出，實現(xiàn)無線遙控模塊對八輪全向移動平臺全向移動的速度和方向控制。系統(tǒng)軟件采用了模塊化設計方式，簡單高效，一定程度上提高了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)設計流程

3.1 遙控器模塊程序設計

開啟無線遙控模塊，WFR06S接收機實時接收遙控器的控制信息，經(jīng)內(nèi)部處理后各通道輸出20 ms為周期具有PWM形式的方波信號，并隨著遙控器搖桿比例動作時，周期內(nèi)脈沖寬度比例變化。遙控器無動作時，接收機處于靜態(tài)工作點，三通道周期內(nèi)脈沖寬度時間為1.5ms。動態(tài)工作時，脈沖寬度時間區(qū)間為1 ms-1.5 ms-2 ms，利用STM32單片機的輸入捕獲功能采取信號。STM32單片機讀取WFR06S接收機控制信號子程序流程如圖11所示。

圖11 無線遙控控制信號讀取程序流程

3.2 遙控數(shù)據(jù)解算及速度和方向輸出程序設計

根據(jù)八輪全向移動平臺的二維模型，如圖12所示，建立系統(tǒng)的運動學方程[12]，如式(1)所示。

圖12 八輪全向移動平臺二維模型

式中，γ為輪子軸線與輥子軸線之間的夾角；ωi為對應編號輪子的角速度；R為輪子半徑；L0、L1、L2為底盤結(jié)構尺寸；vx、vy為平臺幾何中心在x、y方向的線速度；ω為平臺幾何中心的轉(zhuǎn)動速度。

當γ=45°時，式(1)化簡為：

化簡后可知，每個Mecanum輪的角速度量與平臺底盤結(jié)構尺寸L0、L1、L2，Mecanum輪外輪廓半徑R以及從遙控模塊讀取的vx、vy、ω三路控制信號有關。協(xié)同控制8個Mecanum輪角速度ω可實現(xiàn)不同的vx、vy、ω，從而實現(xiàn)平臺的全向運動。

STM32單片機采集遙控模塊的實時控制信息，并對遙控數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)量化解算，然后送入運動學方程的程序?qū)崿F(xiàn)，得出各個Mecanum輪的速度和方向量。程序中實際方向和速度量，體現(xiàn)為0～4 096的數(shù)據(jù)值，定義0～2 047數(shù)據(jù)值為正方向轉(zhuǎn)動，則2 049～4 096數(shù)據(jù)值為反方向轉(zhuǎn)動，而這些數(shù)據(jù)值與2 048的差的絕對值的大小對應為速度量大小。最后將這些數(shù)據(jù)量串行輸出到外部D/A轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)速度和方向輸出程序設計。

4 實驗及調(diào)試

圖13為實驗用八輪全向移動平臺樣機，為了驗證控制系統(tǒng)的可行性，主要從系統(tǒng)穩(wěn)定性、運動精度兩個方面進行考慮。系統(tǒng)的調(diào)試采用了單元調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的方法，對各單元分別測試后進行聯(lián)合調(diào)試。

圖13 樣機

在實驗室條件下，對平臺進行了前后直線運動、橫向側(cè)移運動、斜 45°直線運動、多矩形軌跡運動以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動等多種運動實驗，實驗長達兩個小時且無間斷。實驗期間以及在后續(xù)所有實驗中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且無故障發(fā)生，驗證了系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

八Mecanum輪移動平臺之所以能實現(xiàn)平面內(nèi)全方向運動，是因為八輪所受摩擦力的綜合作用結(jié)果。控制系統(tǒng)的設計除了從理論方面考慮，也要考慮到驅(qū)動電機本身的扭矩偏差對平臺移動偏差的影響。為了提高平臺移動偏差的測量精度，需要對移動平臺的原始偏差進行標定，并通過調(diào)整系統(tǒng)軟件中電機控制量的輸出系數(shù)進行修正。

表1 橫向移動原始偏差測量數(shù)據(jù)表

表2 斜向45°移動原始偏差測量數(shù)據(jù)表

多次標定確定了移動平臺的橫向移動與45°斜向移動的原始偏移角度平均值，分別為0.58°、0.61°，可知由于驅(qū)動電機扭矩不同導致平臺幾何中心具有偏差位移，對于整個平臺運動精度的測量有較大的影響，并且斜向移動比橫向移動偏差角度稍大。在分析了原始偏差測量數(shù)據(jù)及結(jié)果后，對系統(tǒng)軟件中各個電機控制量的輸出系數(shù)進行了針對性整定，使平臺的運動精度得到很大的提高。以上實驗表明，八輪全向移動平臺可通過接收無線遙控模塊信號驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的移動(包括橫、縱、斜向移動)以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動，并且具有較高運動精度。

結(jié) 語

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ControlSystemofOmni-directionalMobilePlatformwithEightMecanumWheels

TianHao

(School of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266000,China)

Aiming at the problem of 8 mecanum wheels fully mobile platform conception in current domestic industrial application,the design and implementation of the control system are presented.Based on the principle analysis of eight wheels of total moving platform,the overall design scheme is proposed.The system takes STM32 MCU as the control core,the eight Mecanum wheels are driven together to realize the total movement of the mobile platform and the rotation of the zero turning radius by receiving the remote signal.The modular design of hardware and software of the control system are introduced and the prototype is developed.The feasibility of the control system design is verified by the experiment,which has great significance to the industrialization application of the whole mobile platform in China.

Mecanum wheel;omnidirectional mobile platform;STM32

TP23

A

楊迪娜

2017-09-19)