自定位移動三輪全向機器人的設(shè)計開發(fā)

昝立宇 茍江純 曾曉玉 沈發(fā)林 程渭東 徐慧平

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 四川成都 610059；2.成都中醫(yī)藥大學(xué)外語學(xué)院 四川成都610075；3.四川福祥建設(shè)工程有限公司 四川眉山 620360)

一、三輪全向機器人的總體設(shè)計思路

機器人作為一個集成化的復(fù)雜整體，為便于檢修與維護，設(shè)計開發(fā)采用了模塊化的思想。[1]我們采用STM32F407IGT6工控板為主控制器，來進行定位數(shù)據(jù)分析與解算、無線數(shù)據(jù)的收發(fā)和基于CAN總線的電機驅(qū)動控制等操作。定位模塊對自身位置信息進行自校準，把相關(guān)數(shù)據(jù)實時送至單片機內(nèi)部的特定儲存區(qū)，等待控制器取用。主控制器還通過CAN總線傳輸方式，驅(qū)動控制三個電機?？紤]到機器人的人機交互性，定位信息會同步更新于客戶端無線路由器下的串口屏上，也可通過串口屏手動設(shè)置目標位置。同時，為了控制的穩(wěn)定可靠，工控板與各模擬量輸入端口均有相關(guān)屏蔽措施，在各個主要模塊上也加有過流保護裝置。機器人控制系統(tǒng)總體組成如圖1所示：

圖1 控制系統(tǒng)組成圖

二、三輪全向機器人的硬件設(shè)計

(一)機械裝置設(shè)計

機器人采用等邊三角形形狀設(shè)計，在底部鋁板每條邊的中心點各安裝一個全向輪，使輪子之間互相間隔120°，選用由RoboModule電機驅(qū)動調(diào)節(jié)器控制的1：20減速比無刷電機，構(gòu)成硬件驅(qū)動部分。機器人中間安置定位模塊，由模塊中的正交碼盤進行坐標的校準，并在周圍安置三芯屏蔽線以隔斷電磁干擾信號。團隊采用24V/20AH或15AH磷酸鐵鋰電池，為機器人提供穩(wěn)定電能，再由單極式可逆PWM波變換器構(gòu)成的H橋電路與24V濾波電路等構(gòu)成驅(qū)動電路，組成自定位硬件部分。

(二)運動模型構(gòu)建

圖2 機器人位姿分析圖

由此，我們在空間中定義絕對坐標系(即二維垂直坐標系)XOY，設(shè)機器人坐標系為xoy，再令機器人在絕對坐標系中的姿態(tài)角為θ，即其自身坐標系相對于絕對坐標系的旋轉(zhuǎn)角度，可搭建起機器人的簡易模型并置于絕對坐標系中，構(gòu)建起機器人位姿分析圖如圖2所示。考慮到高精度無刷電機單線串聯(lián)或集散式并聯(lián)供電工作時會產(chǎn)生較大電流負荷與機械抖動，我們便采用了多線屏蔽下的區(qū)位化供電方案，φ即為機器人分區(qū)控制的區(qū)位角，令φ=2/3π，area為分區(qū)邊緣長度。設(shè)Vx、Vy、W 為機器人在絕對坐標系下的速度，W為機器人自轉(zhuǎn)的角速度，vs、vy、w為機器人在自身坐標系中的速度。則可根據(jù)位姿分析圖得到其兩系三相速度的關(guān)系表達式，用矩陣排列表示并記作式①。隨后，將式①中機器人自身坐標系下的速度分解到輪子方向，規(guī)定的輪子正方向如箭頭所示，記各輪線速度為v1、v2、v3。此時可得新的矩陣表達式，記作式②。把式②代入式①之中，可近似理解為做矩陣的約項乘法，再進行化解之后可得下式：

此表達式便實現(xiàn)了絕對坐標系下兩軸速度分量及自轉(zhuǎn)速度與機器人各輪線速度的轉(zhuǎn)化，根據(jù)此思路可將場地坐標系的移動速度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)輪子的移動速度，再通過控制算法的編寫即可實現(xiàn)機器人往任意方向的移動控制。[2]

三、三輪全向機器人的軟件設(shè)計

我們對運動控制系統(tǒng)進行軟件編程設(shè)計，整個編程和調(diào)試工作都是在MDK 5集成開發(fā)環(huán)境與艾克申導(dǎo)航模塊開發(fā)公司提供的統(tǒng)一集成開發(fā)環(huán)境下完成。軟件代碼主要包括運動控制部分代碼及定位解算相關(guān)代碼。運動控制部分流程圖如圖3所示，其中系統(tǒng)初始狀態(tài)包括定位模塊參數(shù)的初始化，中斷指令處理的是定位碼盤發(fā)布的控制目標位置的解析。定位解算相關(guān)代碼設(shè)計完成后，還可通過EKshen-form軟件進行人機界面交互，使得我們可以更加穩(wěn)定、經(jīng)濟、高效地實現(xiàn)對機器人位置狀態(tài)的實時監(jiān)測與運動狀態(tài)的精確控制。[3]

圖3 控制程序流程圖

四、實驗與分析

機器人底盤驅(qū)動輪半徑為82mm，三個全向輪中分面距離機器人坐標系中心距離分別是 438.4mm、329.5mm、333.6mm，底盤總重10.2kg，測試時在長15m、寬15m的區(qū)域內(nèi)按定位沿直線或者曲線運動。其無刷電機工作由相應(yīng)PID模式進行限制，分為：位置PID-低速、電流PID-中速、位置及電流PID-高速。經(jīng)相關(guān)實驗分析，三環(huán)PID控制時電機支流峰值電流最大不可超8.5A，且預(yù)定轉(zhuǎn)差率與視在誤差均需符合實際應(yīng)用要求，結(jié)合上述需求，選擇出三環(huán)PID的最終調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

本文從三輪全向機器人設(shè)計的總體理念出發(fā)，論述了機器人硬件構(gòu)成的合理性，推導(dǎo)了其運動方程，構(gòu)建起控制系統(tǒng)的初步框架。隨后，在軟件設(shè)計部分陳列了程序的整體設(shè)計思路，并給出工作流程圖，具有相當高的科學(xué)合理性。同時，團隊成員也在搭建的三輪全向機器人樣機上,對該運動控制系統(tǒng)進行了實際測試,得到了符合機器人自身機械特性的控制數(shù)據(jù)。該自定位移動三輪全向機器人已參加2019年機器人大賽，并在賽場上有不錯的運動控制效果，滿足了比賽的自定位、運動需求，具備良好的穩(wěn)定性和控制精度。