一種新型萬(wàn)向輪平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳曉林，陳益萍，蔣日乾，林國(guó)英

福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350116

傳統(tǒng)的輪式轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備由普通車(chē)輪構(gòu)成的行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成，在轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動(dòng)靈活性差、轉(zhuǎn)運(yùn)效率不高等諸多缺點(diǎn)?；谌蜉喖夹g(shù)的全向移動(dòng)平臺(tái)切實(shí)解決了該難題。本文提出一種全向輪式移動(dòng)設(shè)備，其可以在二維平面上產(chǎn)生三個(gè)自由度的全向運(yùn)動(dòng)。采用電子羅盤(pán)和陀螺儀來(lái)完成車(chē)身的姿態(tài)控制，同時(shí)根據(jù)攝像頭得到的位置信息來(lái)計(jì)算下一步的速度方向，基于該速度方向來(lái)協(xié)調(diào)三個(gè)固定角度差的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到零轉(zhuǎn)彎半徑的靈活運(yùn)動(dòng)。

1 全向移動(dòng)小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 全向輪結(jié)構(gòu)選擇

全向輪由輪轂和從動(dòng)輥輪組成。輪轂外圓周處均勻開(kāi)設(shè)有3個(gè)或3個(gè)以上的輪轂齒，每?jī)蓚€(gè)輪轂齒之間裝設(shè)有一個(gè)從動(dòng)輥輪，從動(dòng)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(bǔ)結(jié)構(gòu)提供了較好的承載力。本文選用三輪底盤(pán)，三個(gè)萬(wàn)向輪的安裝采用兩兩成120度對(duì)稱分布，通過(guò)三個(gè)速度的合成實(shí)現(xiàn)小車(chē)的全向運(yùn)動(dòng)。

1.2 陀螺儀和電子羅盤(pán)選擇及安裝

要保持車(chē)身姿態(tài)不變，首先要得到車(chē)身的姿態(tài)數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用電子羅盤(pán)來(lái)檢測(cè)車(chē)身姿態(tài)。電子羅盤(pán)的工作原理是通過(guò)磁傳感器中兩個(gè)相互垂直軸感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，通過(guò)地磁場(chǎng)在X軸和Y軸的兩個(gè)分矢量值來(lái)確定車(chē)身方位值。電子羅盤(pán)內(nèi)置溫度補(bǔ)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(lái)測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度，電子羅盤(pán)噪聲較大，通過(guò)陀螺儀進(jìn)行濾波積分，能夠得到車(chē)身前進(jìn)角度，對(duì)車(chē)身進(jìn)行姿態(tài)控制。采集陀螺儀角速度AD值，經(jīng)過(guò)縮放積分后得到旋轉(zhuǎn)角，與電子羅盤(pán)的角度擬合和濾波，形成控制偏差角，用于全向平臺(tái)的姿態(tài)控制。數(shù)字羅盤(pán)與底盤(pán)平行安裝，陀螺儀與底盤(pán)垂直安裝，兩者是構(gòu)成本文所設(shè)計(jì)的全向移動(dòng)平臺(tái)的核心。

2 全向移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(yùn)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(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)，DMA功能對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)控，IIC模塊與GY-26進(jìn)行數(shù)據(jù)通信獲取車(chē)體角度，GPIO模塊驅(qū)動(dòng)LED顯示屏，顯示相關(guān)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 車(chē)身姿態(tài)控制設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用GY-26電子羅盤(pán)和ENC-03陀螺儀。GY-26是一款低成本平面數(shù)字羅盤(pán)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(chē)體運(yùn)動(dòng)到任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，為陀螺儀積分運(yùn)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(guò)角加速度原理，將車(chē)體運(yùn)動(dòng)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(yùn)算后得到車(chē)體旋轉(zhuǎn)角的角度，將其與電子羅盤(pán)反饋的角度擬合和濾波，形成偏差角度，進(jìn)行車(chē)身姿態(tài)控制。

全向移動(dòng)平臺(tái)要求車(chē)體能進(jìn)行回轉(zhuǎn)半徑為零的運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)模式下車(chē)體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪子進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，車(chē)體由于慣性有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的角度，為了實(shí)現(xiàn)車(chē)體的姿態(tài)不變，需要對(duì)這個(gè)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正。本設(shè)計(jì)采用陀螺儀和電子羅盤(pán)反饋獲取姿態(tài)修正角度Angle，系統(tǒng)則根據(jù)此時(shí)的修正角度Angle發(fā)出指令，讓車(chē)體向旋轉(zhuǎn)軸相反的方向旋轉(zhuǎn)Angle，這樣，車(chē)體就能保持同一姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖2 車(chē)身姿態(tài)控制

2.3 全向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析

在實(shí)現(xiàn)了上述對(duì)車(chē)身姿態(tài)的定型控制后，就可以將其當(dāng)成一個(gè)理想質(zhì)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行車(chē)身運(yùn)動(dòng)方向的控制。若設(shè)定運(yùn)行速度為Speed，車(chē)身運(yùn)行方向角度為angle，A電機(jī)速度為SpeedA，B電機(jī)速度為SpeedB，C電機(jī)速度為SpeedC，則有：

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

就可以算出車(chē)子的合成速度，具體見(jiàn)圖3。

圖3 車(chē)子速度合成圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的由陀螺儀傳感器與電子羅盤(pán)進(jìn)行萬(wàn)向輪姿態(tài)定型與運(yùn)動(dòng)控制的全向移動(dòng)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精確，靈活簡(jiǎn)便，特別適用于各種狹小惡劣的環(huán)境，有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1]吳浩.移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究[D].北京化工大學(xué)，2009.

[2]龔根華.輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].南京航天航空大學(xué)，2004.

[3]高春甫，張宏穎等.電機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]胡壽松.白動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001.