【導讀】移動機器人中的全方位輪式移動機器人無需車體做出任何轉動便可實現(xiàn)。任意方向的移動，并且可以原地旋轉任意角度，運動非常靈活。設計協(xié)調(diào)控制電路控制其運動。實驗表明麥克納姆全向移動機構的運動及轉位靈。活且不受限于運動空間，應用前景非常廣闊。許多機、電、計算機一體化的新產(chǎn)品誕。生，同時有許多高技術人才在不斷探索。人們也廣泛進行了研究與探討。現(xiàn)在，作為移動機器人而開發(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。漸成為機器人的重要組成部分之一。的在大多場合都有較廣的應用。動而失去作用，這在一定程度上就限制了輪式機器人的使用。任意連續(xù)軌跡走到要求的位置，成為機器人中移動機構發(fā)展的趨勢。在這里我對全方位輪中極具代表性的麥克納姆輪（本文中若無特別說明全方位輪。都指麥克納姆全方位輪）作一些探討。

　　

【正文】 babAabAabAababAabAabAababAabAabAlRlIIeemlmeRImlmeRImlRlIIeemlmeRImlmeRImlRlIIeemlmeRImlmeRImlRlIIeemlmeRImlmeRIm202112222021122220211222202112224)()4(44)(444)(444)()4(412VV???????????????＋ ?122112 121212211221()()4 ()()ab abab abab abab abm e m em m m e ellm e m e Vm m m e ellRVm e m em m m e ellm e m em m m e ell???? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ?????? ??? ? ? ? ?????? ? ? ? ????? 12VV???????????????＝12021122244004????????????????????RlIImememeRImmeRImabAAA????????????????????????abababab llllR 111111111????????????4321TTTT－ 11221 2 3000m m e Vm m e Vm e m e V???? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? () 式中： ? ? —— 分 別為角速度與角加速度； iV —— 各輪的本體速度； iT —— i輪的轉矩； ie —— 小輥子相對 X、 Y、 Z 軸的單位向量； m—— 輪體的質(zhì)量。 至此已建立好全方位移動機構的運動學與動力學模型，給出了各參量的明確表達式，對運動學正、逆問題求出了解。進一步為全方位移動機器人的研究提供理論模型。 東南大學畢業(yè)設計論文 — 25— （共 31 頁） 第 七 章 四輪協(xié)調(diào)的 控制 測試電路 在所有的全方位輪參數(shù)設計完畢 后，所設計的機構按一定的加工方法加工好后能否達到預期的精度要求。于是，必須設計一四輪驅動測試電路，用以控制全方位移動機器人的四個輪的直流電機，進而測試機器人的移動性能。 控制電路的方案選擇 麥克納姆全向移動機構設計完成后，要根據(jù)移動機構設計控制電路。具體應設計怎樣 的電路，首先要看設計的目的。在此，我們?yōu)榱藴y試麥克納姆全向輪的運動精度與運動特性，更主要是為了能通過控制電路的輔助直觀的理解麥克納姆全方位輪的運動原理。若要從最終的精確運動控制角度講，要應用性能較好處理器（中級以上水平絕大多數(shù)采用微機控制 ），以及完善的檢測電路能實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。由于本處的目的為前者，故這里選用單片機（ MCU）控制實現(xiàn)的開環(huán)應用。采用單片機控制的方案較為簡單，且調(diào)試容易，易于實現(xiàn)。 控制電路的設計 考慮單片機的成本，開發(fā)的容易程度及設計的周期，本測試電路中選用 AT89C51 單片機作控制器。電機的控制采用受限單極可逆 PWM 控制，因全方位輪中用 24V 直流電機作驅動，故根據(jù) L298N 的參數(shù)（最大驅動電壓 Vs 為 46V），可選 L298N 作驅動芯片。且考慮到要用到 PWM調(diào)速（暫用單片機軟件調(diào)制信號），故采用 1A快速恢復的續(xù)流二極 管 IN5822。其中還應用了一 12 鍵無線控制器實現(xiàn)遙控示教。 遙控部分的設計 本文選用的無線控制器配以南京某公司的 R03BS 集成模塊，來實現(xiàn)機器人的無線控制。R03BS接收模塊采用 7 腳外伸直插式封裝，其中 D0、 D D D3 為數(shù)據(jù)輸出， GND電源負端，＋ 5V 為電源正端， Vt 為解碼有效輸出端。其中 D0、 D D D3 四端口帶輸出自鎖， Vt 端當無線控制器有按鍵輸入并解碼有效時輸出高電平“ 1”。其鍵入與輸出對應表如表 71。 表 71 無線控制器的鍵入輸出 真值表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 D0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 D1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 D2 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 D3 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 將 D0、 D D D Vt 五腳接入單片機的輸入端。 由上述真值表知，可由上述遙控Key Pin 東南大學畢業(yè)設計論文 — 26— （共 31 頁） 器實現(xiàn)機器人的點動或自鎖運行。當點動時要利用 Vt 腳，而自鎖運行只要用 D0、 D DD3 四端作單片機的輸入即可。這些通過軟件編程即可實現(xiàn)轉換。 利用該控制器可以實現(xiàn)全向移動機器人 的前、后、左、右、左前、右前、左后、右后以及原地正反轉運動的簡單控制調(diào)試?？刂破髅姘迳湘I位與移動方向對應：“１”（左前行），“２”（前行），“３”（右前行），“４”（左行），“ 5”（順時針轉動），“ 6”（右行），“ 7”（左后行），“ 8”（后行），“ 9”（右后行），“ 11”（逆時針轉動），“ 10”（速度模式選擇）。 電機調(diào)速設計 直流電機的調(diào)速 有很多種方法，但在此最常用的方法是 PWM 調(diào)速。 PWM（脈寬調(diào)制）信號如何獲得，大體可分為硬件調(diào)制與軟件調(diào)制。硬件調(diào)制即用 PWM 發(fā)生模塊（有些型號的單片機有 PWM口， AT89C51 中沒有）產(chǎn)生 PWM 信號，軟件調(diào)制即用軟件編程實現(xiàn) PWM調(diào)速。在此本人選用了后者， 51 系列單片機一般內(nèi)部都帶有定時器，這里就利用 AT89C51自帶的 Timer0、 Timer1 來設計 PWM 調(diào)速。當程序不是很復雜且對資源利用要求不高時，這往往是種不錯的方法。 定時器 T0、 T1的工作模式通過 TMOD寄存器的 M M0位來選擇。當 M M0為 0、0 時為定時器工作于模式 0， M M0 為 0、 1 時為模式 1， M M0 為 0 時為模式 2，M M0 為 1時為模式 3。我們用它的模式 2，即 M M0為 0，此時定時器為 8 位重裝載的定時 /計數(shù)器， TLx溢出時， THx重裝入。我們可以通過調(diào)節(jié) THx與 TLx的值來調(diào)制不同頻率的 PWM信號。 PWM 信號通過如下程序實現(xiàn)： //PWM 信號的 單片機定時器調(diào)制方法 void PWM(unsigned char P) //P 運動方式選擇 { TMOD=0x02。 //定時器 0 工作于模式 2 TH0=2。 //低電平時間 TL0=8。 TR0=1。 while(1) { while(!TF0)。 TF0=0。 switch(P){ case 0xF4: case 0xF1: case 0xF2: case 0xF6: case 0xFA: case 0xFD: PWM1=PWM2=PWM3=PWM4=0。 break。 case 0xF8: case 0xF9: PWM2=PWM3=0。 break。 東南大學畢業(yè)設計論文 — 27— （共 31 頁） case 0xFC: case 0xFE: PWM1=PWM4=0。 break。 } while(!TF0)。 TF0=0。 switch(P){ case 0xF4: case 0xF1: case 0xF2: case 0xF6: case 0xFA: case 0xFD: PWM1=PWM2=PWM3=PWM4=1。 break。 case 0xF8: case 0xF9: PWM2=PWM3=1。 break。 case 0xFC: case 0xFE: PWM1=PWM4=1。 break。 } TL0=8。 //高電平時間 if(VT==0) break。 } TR0=0。 } 則我們可以通過定時器的定時特性來實現(xiàn) PWM 信號的調(diào)制，調(diào)整 TH0、 TL0 的初值即可獲得不同的 PWM信號。 驅動電路的設計 本文所選用的驅動芯片為 L298， L298 的內(nèi)部結構圖如下： 圖 71 L298 的結構框圖 它可以驅動小于 46V電壓的電機，輸出電流高達 4A，是一種雙通道的全橋驅動芯片（具東南大學畢業(yè)設計論文 — 28— （共 31 頁） 體電氣參數(shù)見附錄二）。因這里用的是 24V 直流電機，故用兩片 L298 芯片就可以驅動 4 個驅動電機。只要用單片機就可協(xié)調(diào)控制四個直流電機的轉速轉向，即可實現(xiàn)全方位機器人的全方位移動。 L298 的驅動電路原理圖設計如圖 62。 檢 測 B 　 1 5輸 出 B 2 　 1 4輸 出 B 1 　 1 3輸 入 B 2 　 1 2使 能 B 　 1 1輸 入 B 1 　 1 0邏 輯 V s s 　 9地 　 8輸 入 A 2 　 7使 能 A 　 6輸 入 A 1 　 5電 源 V s 　 4輸 出 A 2 　 3輸 出 A 1 　 2檢 測 A 　 1L298MM+ 5 V + 2 4 V0 . 1 u 4 7 0 u 0 . 1 u+BAP W M BP W M A方 向 B方 向 A 圖 72 L298 的驅動電路 圖中的二極管為 PWM 調(diào)速中所用的快速恢復的續(xù)流二極管。用 74LS04 六反器來實現(xiàn)圖中的信號邏輯反向。這樣我們就可以用單片機控制圖 62中的 PWMA、 PWMB、方向 A、方向 B 信號進而方便的控制全向移動機器人其中的兩個驅動電機。詳細電路見附錄三。 東南大學畢業(yè)設計論文 — 29— （共 31 頁） 第 八 章 研究總結與前景展望 通過本文的研究學習與實物的研制調(diào)試，我們可以得出以下幾點： ① .麥克納姆（ Mecanum）輪機構相對其他而言 ，具有相當獨特的設計思想及全新的設計理念（我們不僅可以基于簡單硬件基體上的復雜控制算法研究，還可以在機構本身上再創(chuàng)新再設計）。 ② .Mecanum輪機構在平面內(nèi)具有任意方向上的移動平穩(wěn)，轉動靈活的特點（本文中用相對簡單的控制程序已能證明這一點）。 ③ .Mecanum輪全方位移動機構的運動控制簡單，只需 協(xié)調(diào) 控制 四個 驅 動 電機即可（本文用單片機與電機驅動芯片來實現(xiàn)的移動機器人的運動控制）。 全方位移動機構在許多方面尤其在微型機器人上應用廣泛，如何提高全方位輪的工作效率、承載能力、組合運動時的移動精度及算法等等，對 促進機器人事業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。同時，由于機器人是一個跨學科，多門學科的交叉，所以對設計者研究者提出了很高的要求，這在很大程度上 也 能開拓人的視野與思維。 從目前的機器人的發(fā)展來看，全方位移動機器人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，一定可以使機器人的應用前景更可觀。 東南大學畢業(yè)設計論文 — 30— （共 31 頁） 鳴謝 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，且其間給老師同學添了不少的麻煩。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與同學表示感謝。 首先向悉心 指導我的導師王興松老師表示最誠摯的感謝與敬意。他不時的指點使我少走了很多彎路，也節(jié)省了不少時間。 另外，在設計過程中得到了 很多 同學 的支持與鼓勵以及同實驗室同學 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！ 學生： 石維亮 02021433 日期： 2021610 東南大學畢業(yè)設計論文 — 31— （共 31 頁） 參考文獻（ References）： 【 1】 Patrick and Charles P. Neuman. Kinematic Modeling For Feedback Control Of