八輪全向移動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，青島 266000)

八輪全向移動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田浩

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，青島 266000)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用中提出的八Mecanum輪全向移動(dòng)平臺(tái)的構(gòu)想，提出其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。研究通過(guò)八輪全向移動(dòng)平臺(tái)的原理分析，提出總體設(shè)計(jì)方案，以STM32單片機(jī)為控制核心，通過(guò)接收遙控信號(hào)協(xié)同驅(qū)動(dòng)8個(gè)Mecanum輪，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的全向移動(dòng)以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)。詳述了控制系統(tǒng)軟硬件的模塊化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上研制了樣機(jī)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)于推進(jìn)國(guó)內(nèi)全向移動(dòng)平臺(tái)的工業(yè)化應(yīng)用具有一定的意義。

Mecanum輪；全向移動(dòng)平臺(tái)；STM32

引 言

Mecanum輪全向移動(dòng)平臺(tái)[1]能夠?qū)崿F(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向移動(dòng)(包括橫、縱、斜向移動(dòng))以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)[2]，同時(shí)由于構(gòu)成簡(jiǎn)單、控制敏捷、穿轉(zhuǎn)性好等特點(diǎn)，近年來(lái)應(yīng)用程度增大。然而，穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、高效的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有一定的難度，在一定程度上制約了全向移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，全向移動(dòng)平臺(tái)全較多采用三個(gè)或四個(gè)Mecanum輪驅(qū)動(dòng)[3-4]，通過(guò)輪組有差異的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。

考慮到重載的使用要求，三輪及四輪全向移動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)能力略顯不足，所以采用更多Mecanum輪協(xié)同驅(qū)動(dòng)技術(shù)是合理的選擇?；谝陨峡紤]提出一種由8個(gè)Mecanum輪協(xié)同驅(qū)動(dòng)的全向移動(dòng)平臺(tái)[5]，八輪全向移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)原理的分析，提出總體設(shè)計(jì)方案，完成了八輪全向移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并研制了樣機(jī)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)原理分析及總體設(shè)計(jì)

圖1 Mecanum輪

Mecanum輪在 1973 年由瑞士工程師首先設(shè)計(jì)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?zhàn)?具體個(gè)數(shù)由設(shè)計(jì)決定)，外形像一個(gè)斜齒輪，而輪齒則換成了經(jīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)的小輥?zhàn)覽7]。圖1中輥?zhàn)拥妮S線與輪的軸線成角度，并且輥?zhàn)涌衫@自身軸線自由地旋轉(zhuǎn)。這些輥?zhàn)虞喞j(luò)面與輪子的圓柱面相重合。這樣特殊的結(jié)構(gòu)使得輪子具備了3個(gè)自由度[8]：繞主輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動(dòng)，以及繞小輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。Mecanum輪在任意一個(gè)方向上有能力主動(dòng)移動(dòng)的同時(shí)，在其他方向上也有其被動(dòng)移動(dòng)的特性[7]。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪子以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸方向前進(jìn)，同時(shí)輪子周邊的輥?zhàn)友仄涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。Mecanum輪這種特性決定了多個(gè)Mecanum輪組合可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的移動(dòng)(包括橫、縱、斜向移動(dòng))以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)。八輪全向移動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)則著重于實(shí)現(xiàn)八Mecanum輪協(xié)同驅(qū)動(dòng)控制。

全向移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)八輪協(xié)同驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的移動(dòng)(包括橫、縱、斜向移動(dòng))和零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分解示意圖[9]如圖2～圖5所示。其中←代表電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，→代表電機(jī)向后轉(zhuǎn)動(dòng)。Fa、Fb為電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)作用在Mecanum輪的力的法向分力與軸向分力。

圖2 橫向運(yùn)動(dòng)

圖3 縱向運(yùn)動(dòng)

圖4 斜向運(yùn)動(dòng)

圖5 零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，全向移動(dòng)平臺(tái)主控制器接收無(wú)線遙控模塊的控制信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，輸出到信號(hào)調(diào)理電路，而信號(hào)調(diào)理電路則直接將調(diào)理后信號(hào)輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，主控制器需要先通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器配置電路對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的工作方式進(jìn)行配置，而后才能將控制信號(hào)輸出。此外，出于安全防護(hù)的角度考慮，給平臺(tái)加裝反射式光電對(duì)管和急停開(kāi)關(guān)，可有效地減少系統(tǒng)的碰撞以及工作異常時(shí)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用了模塊化設(shè)計(jì)方式。硬件電路各模塊主要有：電源模塊、 MCU模塊、無(wú)線遙控模塊、傳感器模塊、外部D/A轉(zhuǎn)換模塊及信號(hào)調(diào)理電路、伺服驅(qū)動(dòng)器配置電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

2.1 部分模塊簡(jiǎn)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(jī)供電；使用降壓式開(kāi)關(guān)電源電路將AC220 V降壓為DC24 V，為伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)調(diào)理電路以及MCU模塊供電。

MCU模塊采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗的STM32F10系列單片機(jī)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(dá)80個(gè)快速I(mǎi)/O口 ，其中許多I/O口為多功能復(fù)用口[10]，為本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供了極大的便利。

無(wú)線遙控模塊選用深圳天地飛科技公司開(kāi)發(fā)的型號(hào)為WFT06X-A 2.4 GHz 6通道比例遙控器和WFR06S 6通道比例接收機(jī)，可以同時(shí)傳輸6路獨(dú)立信號(hào)。由于設(shè)計(jì)要求全向移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制全向移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向的移動(dòng)以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)，需要三軸獨(dú)立信號(hào)來(lái)控制，所以此遙控模塊能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。STM32單片機(jī)具有輸入捕獲的功能，可實(shí)時(shí)采集無(wú)線遙控模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，聯(lián)合采集傳感器的信息，對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，輸出控制信息。

控制系統(tǒng)加入反射式光電對(duì)管模塊，主要出于對(duì)系統(tǒng)安全防護(hù)[11]的考慮。當(dāng)全向移動(dòng)平臺(tái)即將撞到或已經(jīng)撞到障礙物時(shí)，連接光電對(duì)管的I/O口由高電平變?yōu)榈碗娖?，MCU模塊采用周期性循環(huán)掃描的方法對(duì)反射式光電對(duì)管輸出的信號(hào)進(jìn)行采集，判斷全向移動(dòng)平臺(tái)是否處于安全的運(yùn)動(dòng)位置。同樣，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或運(yùn)行不正常時(shí)，可人為按下急停開(kāi)關(guān)，斷掉所有電源，以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的作用。

2.2 外部D/A轉(zhuǎn)換模塊及模擬信號(hào)調(diào)理電路

伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制模式選擇為模擬量電壓控制，電壓正負(fù)對(duì)應(yīng)于伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電壓絕對(duì)值對(duì)應(yīng)于伺服電機(jī)的速度量。由于8個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)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(gè)DAC7512芯片的/SYNC與SCLK端口由STM32單片機(jī)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(dòng)器所接受的模擬控制電壓范圍信號(hào)為-5～5 V，所以要對(duì)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。首先利用基于LM358芯片的運(yùn)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(shí)接入基于運(yùn)放芯片LMC6482的模擬信號(hào)調(diào)理電路，把電壓0～5 V的模擬控制信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出為電壓-5～5 V的模擬控制信號(hào)，然后送入伺服驅(qū)動(dòng)器控制端，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī) 的方向和速度控制。其部分電路如圖8所示。

圖8 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)器配置電路設(shè)計(jì)

圖9 伺服驅(qū)動(dòng)器配置電路

伺服驅(qū)動(dòng)器是保證八輪全向移動(dòng)平臺(tái)能夠正常工作最重要的部分，對(duì)車(chē)體的整體運(yùn)行有著決定性的作用。伺服驅(qū)動(dòng)器選用安川∑-Ⅴ系列AC伺服驅(qū)動(dòng)器，配以對(duì)應(yīng)型號(hào)的伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器工作前，需要先對(duì)其工作模式進(jìn)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(jī)串行輸出二進(jìn)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(gè)端口。實(shí)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(hào)，這6位信號(hào)通過(guò)行列式排列三極管全配置8個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)行列式排列三極管間接配置伺服驅(qū)動(dòng)器，起到信號(hào)的隔離與保護(hù)作用。部分伺服驅(qū)動(dòng)器配置電路如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)讀取無(wú)線遙控模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件系統(tǒng)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與輸出，實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控模塊對(duì)八輪全向移動(dòng)平臺(tái)全向移動(dòng)的速度和方向控制。系統(tǒng)軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)方式，簡(jiǎn)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(shè)計(jì)流程

3.1 遙控器模塊程序設(shè)計(jì)

開(kāi)啟無(wú)線遙控模塊，WFR06S接收機(jī)實(shí)時(shí)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(hào)，并隨著遙控器搖桿比例動(dòng)作時(shí)，周期內(nèi)脈沖寬度比例變化。遙控器無(wú)動(dòng)作時(shí)，接收機(jī)處于靜態(tài)工作點(diǎn)，三通道周期內(nèi)脈沖寬度時(shí)間為1.5ms。動(dòng)態(tài)工作時(shí)，脈沖寬度時(shí)間區(qū)間為1 ms-1.5 ms-2 ms，利用STM32單片機(jī)的輸入捕獲功能采取信號(hào)。STM32單片機(jī)讀取WFR06S接收機(jī)控制信號(hào)子程序流程如圖11所示。

圖11 無(wú)線遙控控制信號(hào)讀取程序流程

3.2 遙控?cái)?shù)據(jù)解算及速度和方向輸出程序設(shè)計(jì)

根據(jù)八輪全向移動(dòng)平臺(tái)的二維模型，如圖12所示，建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[12]，如式(1)所示。

圖12 八輪全向移動(dòng)平臺(tái)二維模型

式中，γ為輪子軸線與輥?zhàn)虞S線之間的夾角；ωi為對(duì)應(yīng)編號(hào)輪子的角速度；R為輪子半徑；L0、L1、L2為底盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸；vx、vy為平臺(tái)幾何中心在x、y方向的線速度；ω為平臺(tái)幾何中心的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

當(dāng)γ=45°時(shí)，式(1)化簡(jiǎn)為：

化簡(jiǎn)后可知，每個(gè)Mecanum輪的角速度量與平臺(tái)底盤(pán)結(jié)構(gòu)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(hào)有關(guān)。協(xié)同控制8個(gè)Mecanum輪角速度ω可實(shí)現(xiàn)不同的vx、vy、ω，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全向運(yùn)動(dòng)。

STM32單片機(jī)采集遙控模塊的實(shí)時(shí)控制信息，并對(duì)遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)量化解算，然后送入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的程序?qū)崿F(xiàn)，得出各個(gè)Mecanum輪的速度和方向量。程序中實(shí)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(dòng)，則2 049～4 096數(shù)據(jù)值為反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而這些數(shù)據(jù)值與2 048的差的絕對(duì)值的大小對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)速度和方向輸出程序設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)及調(diào)試

圖13為實(shí)驗(yàn)用八輪全向移動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)，為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性，主要從系統(tǒng)穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)精度兩個(gè)方面進(jìn)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(duì)各單元分別測(cè)試后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。

圖13 樣機(jī)

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了前后直線運(yùn)動(dòng)、橫向側(cè)移運(yùn)動(dòng)、斜 45°直線運(yùn)動(dòng)、多矩形軌跡運(yùn)動(dòng)以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)小時(shí)且無(wú)間斷。實(shí)驗(yàn)期間以及在后續(xù)所有實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且無(wú)故障發(fā)生，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

八Mecanum輪移動(dòng)平臺(tái)之所以能實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)全方向運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)榘溯喫苣Σ亮Φ木C合作用結(jié)果。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了從理論方面考慮，也要考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身的扭矩偏差對(duì)平臺(tái)移動(dòng)偏差的影響。為了提高平臺(tái)移動(dòng)偏差的測(cè)量精度，需要對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的原始偏差進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)軟件中電機(jī)控制量的輸出系數(shù)進(jìn)行修正。

表1 橫向移動(dòng)原始偏差測(cè)量數(shù)據(jù)表

表2 斜向45°移動(dòng)原始偏差測(cè)量數(shù)據(jù)表

多次標(biāo)定確定了移動(dòng)平臺(tái)的橫向移動(dòng)與45°斜向移動(dòng)的原始偏移角度平均值，分別為0.58°、0.61°，可知由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩不同導(dǎo)致平臺(tái)幾何中心具有偏差位移，對(duì)于整個(gè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度的測(cè)量有較大的影響，并且斜向移動(dòng)比橫向移動(dòng)偏差角度稍大。在分析了原始偏差測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果后，對(duì)系統(tǒng)軟件中各個(gè)電機(jī)控制量的輸出系數(shù)進(jìn)行了針對(duì)性整定，使平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度得到很大的提高。以上實(shí)驗(yàn)表明，八輪全向移動(dòng)平臺(tái)可通過(guò)接收無(wú)線遙控模塊信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的移動(dòng)(包括橫、縱、斜向移動(dòng))以及零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)動(dòng)，并且具有較高運(yùn)動(dòng)精度。

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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)