全向移動小車本科畢業(yè)論文

PAGEPAGE1摘要作為移動小車而開發(fā)的移動機構種類已相當繁多，僅就地面移動而言，移動機構就有車輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式，適應了各種工作環(huán)境的不同要求。全向移動小車的全方位輪具有平面內三個自由度，可同時獨立的前后、左右和原地旋轉運動，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回旋的特性，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，相比傳統移動平臺有明顯優(yōu)勢。本綜述論文首先分析了全向移動小車在國內外的研究簡史與應用現狀；對現使用較為廣泛的全向輪進行綜述對比；重點對當前主流輪式全向移動小車按照其機械結構、硬件模塊、軟件分析進行分類整理，總結論述了全向移動小車的三種控制方式；最后對全文進行歸納總結，展望了輪式全向移動小車的發(fā)展方向。本綜述論文在借鑒國內外的研究成果上，較為完善的總結了全向移動小車體系結構，為以后深入研究輪式全向移動平臺的廣泛應用提供理論參考依據。關鍵字：麥克納姆輪；全方位移動小車；車底安全檢查Reviewofwheeledomni-directionalmobilevehiclearchitectureStudent：CHENFeng-junTeacher：XUJian-yuAbstract：Asthedevelopmentofmovingmobilecartypesofinstitutionshasbeenquiteextensive,onlythegroundmoving,themovingmechanismhadwheels,crawler,legs,torsoandsoon,adaptedtothedifferentrequirementsofvariousworkenvironments.Movedcarfullomni-directionalwheelhavingaplaneofthethreedegreesoffreedom,whichcanseparatefront,left,androtationalmovementinsitu,canbemadewithoutchangingtheirpostureinthecasemoveinanydirection.Insitubymeansofmaneuverandlateralmovementcharacteristics,full-motionplatformcanbeeasilyshuttleinthenarrow,flexible,completeavarietyoftasks,comparedtotraditionalmobileplatformhasobviousadvantages.Thisreviewanalyzestheomni-directionalmobilecarathomeandabroadBriefHistoryofResearchandApplicationStatus;rightnowthemorewidelyusedomni-directionalwheelsummarizedcomparison;focusingonthecurrentmainstreamwheeledomni-directionalmobilecaraccordingtoitsmechanicalstructure,hardwaremodules,softwareanalysiscarryoutclassifycollate,summarizediscussestheomni-directionalmobiletrolley'sthreekindscontrolmode;Finallypairsoffull-textcarryonsummarized,prospectedwheeledomni-directionalmobilecardirectionofdevelopment.Thisreviewpaperdrawingontheresearchresultsathomeandabroad,themoreperfectsummaryofthewholearchitectureofthemobilecarforfuturein-depthstudywheeledomni-directionalmobileplatformwidelyusedtolayagoodfoundation.Keywords:Mecanumwheel;omni-directionalmobilerobot;vehiclesafetyinspection1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的高速發(fā)展，人們已經開始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)的各個領域?，F在，作為移動小車而開發(fā)的移動機構已相當繁多，僅就地面移動而言，移動機構就有車輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式，適應各種工作環(huán)境要求。車輪式移動機構尤其突出，逐漸成為移動小車的重要組成部分之一。對于普通的輪式移動機構，轉彎都需要一定的旋轉半徑，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動，便可實現前后、左右和自轉3個自由度運動，成為輪式移動機構的主要發(fā)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結構布局而言，以結構支撐穩(wěn)定可靠、各輪負載較均勻、運動平穩(wěn)、易于控制等優(yōu)點的四輪結構在實際應用最為廣泛。研究表明麥克納姆輪全向移動小車在運動及轉位方面靈活，不受運動空間空間，可應用于生活、物流、工業(yè)和機器人等多個領域，有廣闊的應用前景。1.2課題研究的主要內容和工作本課題研究內容主要有：整理當前主流輪式全向移動小車的體系結構（機械、硬件、軟件）與應用現狀。主要工作如下：1）根據輪式全向移動小車體系結構，整理出當前輪式全向移動小車體系結構的機械、硬件、軟件和移動小車的應用現狀。2）參照國內外已有實例，提出適用于車底安全檢查應用的小型小車體系結并論證此體系結構有效性。3）搜集國內/外文獻，整理此領域1980年代以來研究簡史。4）簡單預測本領域未來的研究發(fā)展方向。5）查找本領域的主要研究機構及其研究子領域內容和研究現狀；本領域主要國際期刊及其關注的子領域內容；本領域主要國際會議的網址、提交會議論文方式。2全向移動小車研究簡史與應用現狀目前移動機構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、機械結構穩(wěn)定等優(yōu)點可滿足大部分工業(yè)環(huán)境使用要求。且小車的結構豐富、驅動控制相對簡單、運動靈活、行進速度相對較高而倍受青睞[1-4]。因此，國內外相關研究機構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，國外已有相當多的研究機構進行了廣泛的研究，全方位移動機器人大致可以分為6類,美國、德國、日本等發(fā)達國家在此領域上屬于領先地位（具體分析參見第三章）。2.2國內研究我國自上個世紀八十年代，才開始對Mecanum輪的研究工作。研究主要集中在Mecanum輪結構與機理分析上，主要研究機構包括清華大學、國防科技大學、浙江大學、中國科學院等高等院校和國家科研機構。上海大學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，沿壁面進行全方位移動，并能跨越運行路徑中的障礙物。該機構結構簡單，不需要傳感裝置來檢測障礙。江南大學的高春能，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、王樹國等進行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結構，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張翮、熊蓉、褚健[5]和哈爾濱工業(yè)大學的閆國榮，張海兵各研究一種在結構復雜程度、承載能力和效率方面都有所改進的新型全方位輪式移動機構，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°的偏心方向輪構成。其他的還有沈陽中國科學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學模型進行了研究。2.3應用現狀全向移動機器人可以實現前后、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)上都具有普遍應用。全向移動機構在足球機器人的比賽上已有相當的研究應用，以日本Keio大學Eigen隊、Kanazawa理工大學Winkit隊，和德國的Freie大學FU－fighter隊、Stuttgart大學CopsStuttgart隊實力較強。圖2-4足球機器人踢足球過程國內足球機器人（如圖2-4）的中型比賽在近年來發(fā)展迅速。以國防科技大學的“獵豹隊（NuBot）”為例，該隊早在2001年起就開始參加國內足球機器人運動比賽，技術發(fā)展到今日，已能代表國內的最高水平，但與國際上的最高水平還有一定的差距[8]。在生活領域，將全方位輪應用在輪椅上，使輪椅具有全方位移動的能力，能更好的適應室內狹窄空間的特點，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輪叉車在物流領域，使用叉車可以方便的搬運貨物，但傳統的叉車僅具有兩個自由度，無法橫向移動和零半徑旋轉，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成本。采用全向輪構成的叉車系統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，降低倉儲成本。例如：中國人民解放軍裝甲兵工程學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)領域上，移動機器人已廣泛應用于工廠監(jiān)控、車間檢查以及倉庫搬運等重復、繁重的體力勞動，像深圳富士康就已經開始引入機器人代替人工勞動。經濟的發(fā)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達到在狹小空間上自由靈活的運動的目的，產生巨大的經濟效益。例如：自動引導車（AVG）可以實現生產物料搬運自動化，將Mecanum輪應用在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，全向移動機構由于自身的轉位運動靈活，且能在狹隘的空間中自由運動，全向移動小車還廣泛的應用于火災救援、自動化工廠的物流系統、核輻射和易爆炸物的處理、軍事偵察等場合。2.4本章小結本章主要小結了本領域自1980年以來，國內外對此相關領域的研究簡史，以及對各種類型全向輪的研究改進，獲得成功，并研發(fā)出相應的移動平臺應用于工業(yè)現場和現實，方便群眾生產和生活。3輪式全向輪的研究綜述輪式全向移動機構是指移動機構以全向輪作為驅動部件，在二維平面上具有從當前位置沿任意方向運動的能力。其機械部分最重要的就是全向輪，常見的全向輪及其應用主要分為如下6類：3.1正交輪系如圖3-1，正交輪[10]是由兩個形狀相同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輪將驅動與轉向功能集成在一個輪子上完成，并將驅動電機放在輪子中。如斯坦福大學的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動的支架上固定驅動滾子。每個球輪上的驅動滾子是單獨由一個電機驅動，使球輪繞驅動滾子所構成平面的法線轉動，同時也可以繞垂直的軸線自由轉動。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部分的球體組成，這兩部分球共同由1個旋轉主軸，與各自的被動旋轉主軸成45°交叉分布。這種輪的結構可分為接觸區(qū)和非接觸區(qū)，通過優(yōu)化接觸區(qū)的距離和MY輪的轉速來減少運動誤差[14]。圖3-3MY輪基本結構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，在運動過程中機構的震動的概率減少為零，同時打滑現象減少發(fā)生。新加坡國立大學的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公司的專利發(fā)明，當輪子繞著固定的輪心軸轉動時，各個小輥子的包絡線為圓柱面，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。這樣的全向輪結構緊湊，運動靈活，具備了前后、左右、自轉三個自由度運動，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結構，美國卡耐基-梅隆大學的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]澳大利亞西部大學的ThomasBraunl運用EyrBot內核研制的四Mecanum輪全方位移動小車，如圖3-6所示。后來馬賽諸塞大學Olaf和Diegel在2002年研制的小輥子與大輪子的夾角可調的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變結構Mecanum輪小車3.7本章小結本章主要綜述了全向移動小車6種全方位輪應用于移動小車的研究領域，對比研究發(fā)現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，無需獨立的轉向機構，僅利用各輪的轉速和轉向的配合就可以實現全方位移動功能，系統結構簡單、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結構輪式全向移動小車體系結構主要由移動小車機械、硬件、軟件組合而成。機械部分根據移動小車的控制功能可選擇三輪或四輪結構；硬件部分根據機械布局選擇合適的硬件配置，擬實現預期功能；軟件部分根據移動小車的機械構造和硬件配置，編程實現移動小車的全向移動功能。4.1機械結構縱觀前人的研究成果，可知當前主流的輪式全向移動小車按照車輪的數目一般采用三輪或四輪結構?；仡欇喪饺蛞苿有≤囇芯恳讶〉玫闹饕晒窜囕啍的繉θ喗Y構和四輪結構進行分析總結。4.1.1三輪結構在三輪結構中，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動工具，主要零部件包括驅動輪、主動軸、被動軸及移動平臺等。見圖4-1，三輪結構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)的相互補充來實現萬向移動功能。圖4-1MY輪全向移動平臺4.1.2四輪結構四輪結構主要采用Mecanum車輪布局，如圖4-2所示，根據小車機械系統結構可分為全向輪系，底盤，緩沖裝置，四個全向輪分別由四個電機獨立控制。車體各輪間通過轉速和旋向的配合即可實現移動小車的全方位運動。圖4-2Mecanum四輪全方位移動平臺機械結構考慮實際路面的平整性，還需在移動平臺上安裝緩沖機構，保證移動機構的四輪與地面的可靠接觸。為減少平臺的振動，可在輥子與其轉軸之間填裝滾珠軸承，以降低運行時的噪聲。4.1.3兩者比較采用三輪結構的三個輪一般按120°分布排列，共有三種驅動方式：（1）前輪由電機實現轉動，后輪驅動；（2）小車的驅動和轉向都由前輪實現；（3）前輪為萬向輪，后輪各有一個電機驅動，實現差速轉動。在實際應用中可根據具體環(huán)境要求來選擇合適的控制方式，以達到預期目標。其特征是采用三輪結構，平臺結構上采用板柱結構，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)的相互補充來實現萬向移動的功能。采用三輪結構的優(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。采用三輪結構的缺點：三輪結構僅僅在實驗室或各種足球機器人比賽中使用較為廣泛，在現實生活中使用不廣泛。采用四輪結構一般采用Mecanum輪結構，Mecanum輪承載能力較強，安裝與懸掛位置相對固定，無需獨立的轉向機構，僅是利用各輪上的無刷直流電機通過軟件對電機的轉速和轉向進行編程控制即可實現全方位移動功能。在四輪結構中的特征是輪子有多種布置方式，王一治[18]在分析四輪機構的全方位運動條件時建立其運動學模型，并列舉分析了具有代表性結構布局形式。采用四輪結構的優(yōu)點：移動小車的載重能力強，系統結構較三輪結構簡單、可靠，控制相對容易。采用四輪結構的缺點：四輪小車體系結構在運動控制方面較三輪結構難分析，移動小車還存在車輪側滑現象，車體不穩(wěn)等現象。根據以上對比可知，具備三輪結構的全向移動小車在足球機器人的比賽上研究較為深入，但在現實生活中，四輪機構的Mecanum輪移動小車承載能力強，通過軟件編程就能實現小車全向移動功能，使用最為廣泛。4.2硬件控制模塊移動小車無論是三輪結構還是四輪結構，要實現全向移動功能，就需要硬件配以控制電路進行控制。硬件電路上的所需的基本硬件都大體相似，包括一些主控模塊，電源管理模塊，電機驅動模塊，通訊模塊等，圖4-3為四Mecanum輪移動平臺硬件架構[8]，以下僅取關鍵硬件展開論述。加速度與轉速傳感器加速度與轉速傳感器無線串口上位PC機主控制器電源DC模塊電機驅動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪電機驅動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪電機驅動板無刷直流電機傘齒輪箱Mecanum輪電機驅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4.2.1主控制器模塊主控制器模塊是根據人機交互模塊(或上位機)輸入的運動要求和四輪驅動電機的轉向、轉速、電流反饋來重新控制四輪驅動電機的轉速，以實現轉速閉環(huán)控制。主控制器主要采用DSP、PLC或者單片機對小車本體進行運動控制，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作為系統的主控制器可以增強系統的擴展和靈活性，可以根據環(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據處理能力。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芯片實現串口通信，滿足小車的定位導航要求[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，采用藍牙模塊進行無線通訊，由數字信號處理器(DSP)單獨驅動電機。每個DSP都發(fā)出兩路獨立的PWM信號對兩個電機進行控制。DSP之間通過控制器局域網(CAN)總線進行通訊，傳輸上位機指令、反饋速度信號及傳感器數據（見圖4-4）。藍牙無線藍牙無線通訊模塊DSP1DSP2紅外線傳感器驅動1電機1碼盤1射門系統驅動2電機2碼盤2驅動3電機3碼盤3驅動4電機4碼盤4控球驅動控球電機CANRS232RS232圖4-4機器人硬件系統整體結構采用ARM7LPC213x+AVRMega16單片機的多級主從結構，軟件和硬件都采用模塊化設計方法設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[21]。主控模塊可根據具體的任務需要選擇主處理器，如果想要從最終的精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閉環(huán)反饋控制。DSP處理器有多種型號，TMS320F2812裝置采用雙電源設計，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，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、抗震動工作可靠的優(yōu)點，但其編程的靈活性較差，系統擴展性不足。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）控制實現開環(huán)應用。4.2.2傳感器模塊為實現機器人智能控制，需以傳感器系統來實現視覺或接近覺功能，而實現感知功能的有多種傳感方式：1）采用CCD攝像頭進行圖象采集和識別方法，但在大體積系統中使用不便。2）基于檢測對象表面，電容傳感器發(fā)生電容變化，產生電壓變化，便于控制。3）根據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，這種傳感器與精確的測距系統有相似之處，但又有不同，如果是實現小車尋跡，可使用較簡單的接近傳感器。如果想得到清晰的探測結果，就需采用CCD攝像頭進行圖像采集和識別，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。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鶕唧w環(huán)境選用合適的傳感器來實現具體功能。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、驅動模塊、電源模塊、通信模塊等。驅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，通過分析對比幾種電機的優(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)缺點比較類型直流電機步進電機舵機優(yōu)點型號多、購買容易、功率大、接口簡單、調速容易等。型號多、易購得、接口簡單、價格便宜等。型號多、價格便宜、接口簡單、功率中等、內部帶齒輪減速器。缺點結構復雜、價格較貴、電流通常比較大、控制相對復雜等。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、速度調節(jié)范圍小、維護復雜等。直流電機雖然結構復雜，價格偏貴，但轉矩大、調速范圍大、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動器。系統的硬件結構上還有電源管理模塊負責平臺電源，反饋電供電狀態(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，兩只光電開關根據接受到白線與黑線的情況來控制小車調整車向，根據主程序流程圖4-5，編寫程序。啟動啟動循跡檢測到停止線？停止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，根據系統運動模型分析和硬件設計，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據,根據協議進行處理,提取出運動方式和相關參數,調用各運動模式子程序,以完成相應位姿運動；同時也將采集到的速度值經過無線模塊傳送給上位機，以便進行數據處理、比對和監(jiān)控。開始開始初始化收到停止信號？提取運動參數旋轉運算邊平移邊轉身運算平移運算電機驅動電機停止結束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與運動控制卡進行通信，通過速度負反饋和PID控制算法，采用PWM方式控制四路電機以實現全方位運動。另外，移動小車還可以通過無線通訊模塊實現無線遙控[23]。以下先對全向移動小車進行運動學分析，進而引出全向移動小車的三種控制方式。圖4-7Mecanum輪機器人的結構Mecanum輪移動小車的車輪布局如圖3-7所示。設機器人的廣義速度為(vx，vy，ωz)T，(ω1，ω2，ω3，ω4)T表示各輪的轉速。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。根據運動學分析，Mecanum輪機器人的正運動學方程為：·······························（1）逆運動學方程為：··········································（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)境下自主的進行路線規(guī)劃，以實現智能控制運動。圖像采集圖像采集預處理圖像分割建立目標顏色庫目標識別，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整姿態(tài)調整姿態(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部分，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換；然后經過離線建立的目標顏色特征庫，對比進行顏色分割、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與機器人的距離和角度后進入運動決策流程。進行決策后就做出相應動作，完成比賽任務。4.4.2全向循跡模式在全向自主模式下，機器人要實現全自主運動，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USB攝像機，在標識線引導下沿預定路線運動，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機器人的基本控制結構全向循跡模式下，機器人基本控制結構如圖4-9所示，分為內速度控制環(huán)和外位置控制環(huán)。首先主控模塊通過比較機器人的期望位姿(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控制器通過比較期望轉速與編碼器返饋的實際轉速(ωs1,ωs2,ωs3,ωs4)T的差異，采用PID算法對電機進行控制。4.4.3遙控傳感模式在復雜的環(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行控制，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,但只能沿預定路線運動。遙控模式彌補了前兩種模式的不足能適應復雜環(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,可根據提供的工作環(huán)境和任務要求選擇合適的控制方式能夠提高機器人的靈活性和效率,擴大應用范圍,保證機器人的穩(wěn)定性和實用性。4.5本章小結全向移動小車無需改變車體姿態(tài)即可實現任意方向的移動和任意半徑的旋轉,本章首先分析了Mecanum輪全向移動小車的機械結構，提出三輪結構和四輪結構的異同、優(yōu)缺。接著根據控制模塊的硬件結構，提出兩種主控制器芯片的軟件編寫流程圖，最后綜述全向移動小車的控制方式是本章的重點，在分析運動學特性的基礎上,介紹了全方位移動小車的全向自主、尋跡和遙控三種控制方式。5輪式全向移動小車結論與展望5.1結論由于全向移動小車的回轉半徑為零和多方向移動特性，可以方便的穿梭于狹窄擁擠且障礙較多的空間中，靈活方便的完成多種任務。輪式全向移動小車可應用于生活、物流、工業(yè)和機器人等多個領域。本文主要綜述了輪式全向移動小車體系結構。開篇之際就簡述了在全向移動小車領域上的簡要研究簡史和一些應用現狀，接著就選取具有代表性的四輪全向移動小車的體系結構進行了詳細綜述，其中包括小車體系結構的機械、硬件、軟件。由于全向移動小車具有廣闊的應用前景，在最后提出了一些對全向移動小車的展望。本論文僅僅對輪式全向移動小車體系結構進行了初步的探討，在智能環(huán)境信息檢測、智能決策等方面還需進行進一步深入研究。隨著全向移動小車的智能化程度的不斷提高，全向移動小車將在社會生產及生活的各方面發(fā)揮越來越大的作用。5.2展望鑒于全向移動小車能大幅度提高產品裝配的工作效率，具有定位精度高、人員操作便利及運動轉位靈活且不受限于運動空間等優(yōu)點，由此可以預知，該全向移動平臺在車底安檢、航天、航空、武器裝備、大型物流領域應用前景廣闊。從目前的發(fā)展來看，全向移動平臺還處于初級應用階段，雖然對與其相關的現場檢測技術、能源技術等還存在認識不足等問題，但其仍有相當大的研究前景，只要所有設計者與研究者不斷努力，一定可以使全向移動平臺的應用前景更可觀。5.2.1車底安全檢查車底安檢采用人工手持安檢鏡的方法不僅效率低下，而且安檢的可靠性主要是依靠檢查人員的主觀條件進行判斷，容易造成檢查范圍不完整，檢出率下降明顯。基于全向移動小車的移動式安檢機器人，可以遂行自主或半自主的停車場車輛排查任務，比傳統的方法(如手持鏡等)更快更準確，大大提高了對車底的檢測速度和檢查效率[24]。5.2.2航天器制造業(yè)將全向移動平臺與航天器相結合，將大幅度降低成本、提高效率，同時也是航天科技成果向其它行業(yè)領域轉化和應用的一個范例，將作為未來工業(yè)自動化現場的一種重要設備，創(chuàng)造更大的社會和經濟效益[25]。5.2.3高空作業(yè)平臺全向輪智能移動平臺雖然能夠滿足平面全方位移動的需求，但對于高空乃至太空作業(yè)等非地面工業(yè)現場，全方位智能移動平臺卻未能兼顧。但如果將全向智能移動平臺和高空作業(yè)平臺結合，便可實現空間維度的全面覆蓋，以滿足工作人員對高空作業(yè)及物體輸送需求，可廣泛應用于抬車機、航天器總裝等工況，效果圖見5-1所示[25]。圖5-1高空作業(yè)平臺外形5.2.4空間重負荷平臺伴隨著航天器、中大型飛機部件以及其配套產品向著更大的尺寸和載重量方向發(fā)展，僅僅是靠單一的增加單個平臺的負荷能力是不夠的，設想著如果能夠組合2組或多組平臺模塊，其承載能力則可達到原單套平臺的數倍，負荷量更大，并著手提高移動平臺的工業(yè)自動化程度。致謝這個畢業(yè)設計應算是我的一次艱辛的嘗試與探索。其中雖花費了眾多的時間與汗水，但仍難免會有很多不足，且期間給老師和同學都添了不少的麻煩。所以，在論文結束之前，我要對很多在我畢設過程中給予幫助的老師和同學表示感謝。首先向悉心指導我的導師徐箭雨老師表示最誠摯的感謝與敬意，他不時的指點使我少走了不少彎路，同時也節(jié)省了不少時間。另外，在論文撰寫過程中得到了很多同學的熱心幫助，在此一并表示衷心的感謝。最后也感謝對論文進行評審的各位老師。參考文獻[1]朱磊磊，陳軍.輪式移動機器人研究綜述.機床與液壓，2009，(8):242一247.[2]陳淑艷，陳文家.履帶式移動機器人研究綜述[J].機電工程，2007，(12):109一112·[3]劉靜，趙曉光，譚民.腿式機器人的研究綜述[J].機器人，2006，(1):81一88.[4]陳麗，王越超，李斌.蛇形機器人研究現況與進展[J].機器人，2002，(6):559一563.[5]熊蓉,張翮,褚健等.四輪全方位移動機器人的建模和最優(yōu)控制.控制理論與應用.2006,23(1):93-98[6]閆國榮,張海兵.一種新型輪式全方位移動機構[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2001,33(6):854-857.[7]石維亮,王興松,賈茜．基于Mecanum輪的全向移動機器人的研制．東南大學學報.[8]海丹,劉玉鵬,鄭志強.四輪全向機器人的設計與控制方法[A].中國自動化學會機器人競賽工作委員會、科技部高技術研究發(fā)展中心.2005中國機器人大賽論文集[C].中國自動化學會機器人競賽工作委員會、科技部高技術研究發(fā)展中心:,2005:8.[9]賈官帥，基于Mecanum輪全方位移動平臺的理論和應用研究，浙江大學碩士學位論文，2012年2月[10]FerriereL,RauceniB.ROLLMOBS,anewuniversalwheelconcept[C]:proceedingsoftheInternationalConfereneeonRobotiesandAutomation，Beigium，1998.IEEE，3:1877一1882[11]M.Robert.ControlSystemDesignfortheRoboRoos,UniversityofQueensland,October2001:35-40[12]B.Oliver,K.Oussama.ElasticStrips:aFrameworkforMotionGenerationinHumanEnviroments.TheInternationalJournalofRoboticsResearch,2002,21(12):1-