【正文】 rP?? ?， 162 122PF P? ? 運動學建模 由 上 節(jié)所分析出 的動力學方程可知，系統(tǒng)無論在做何種運動，只要其運動的方向一定 ，它的運動就是 勻加速度運動！而只有當運動的方向發(fā)生改變時，其加速度的大小和方向才有可能改變，因而可利用勻加速運動的性質(zhì)去建立全向移動車在做縱向、橫向 、斜向 與原地旋轉(zhuǎn)時的運動學方程。根據(jù)上述分析，經(jīng)過繁瑣的計算可以求解得其動力學模型為： 對于車身，有： 31oNa N? 對于車輪，有： 41oxNN? ? 在點 P 處，有： 21ppz rNa N? ， 5122PpNX Nr?? ， 31PmNZ N? 對于滾輪，有： 2122pp NN?????? ， 2122 ppprNaa N????， 6122ppNR Nr? ? ， ? ?2212 2 p p pp pN m r IR Nr ???? ， 71 pNF Nr? ? ， 82 2pINF ?? ? 斜向運動受力與運動參數(shù)分析 對于斜向運動由于其運動過于復雜，因而我們要首先對運動進行分解，將其看成是橫向運動和斜向運動的合成運動。根據(jù)上述分析，經(jīng)過繁瑣的計算可以求解得其動力學模型為： 對于車身，有： 312cozbKIK? ? ， 312oo ozIKXZ IK?? 對于車輪，有： 512oz ozKKI? ? ， 2 81ox oz ozbKaa IK?? 對于滾輪，有： 4122pozKIK? ? ， 4222 pp ozKra IK? ?， 61p ozKR IK? ? ， 71ozKF IK?? 向前移動 受力與運動參數(shù)分析 根據(jù)上文分析出的運動原理和自身車體結(jié)構(gòu)我們可以對系統(tǒng)進行受力分析，并列出受力方程，并用 matlab 軟件對其線性方程組進行求解（具體求解過程見附錄）。其它形式的運動可同理推得。因而根據(jù)滾珠軸承的特性我們可以得知滾動摩擦力fF很小。但對于全向移動輪來說，其特點就是能產(chǎn)生一個相對于輪體的軸向分力，通過調(diào)節(jié)各個輪子的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，形成一個與地面固定坐標系成一定角度的合力，進而實現(xiàn)整個輪系的全方位運動。四個全方位輪組成的機器人本體的受力與運動分析如圖中所示，其中 aF 為輪子滾動時小輥子受到軸向的摩擦力； rF 為小輥子做從動滾動時受到的滾動摩擦力（相比 aF 較小，可忽略） ； ? 為各輪轉(zhuǎn)動的角速度矢量。 綜合以上分析我們可以得出如 圖 22所示的車體底盤布局圖： 北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 22 全向移動平臺 的 底盤 布局結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)運動原理 由圖 23 可見全向移動機器人的車輪組合情況，輪體有左右旋之分（左上角的 為左旋，右上角的為右旋，其它類推）， 輪中的小斜線表示與地面接觸的輥子的軸線方向。對于全向移動機器人的設(shè)計 ， 由于空間比較小 ，因而其 對于結(jié)構(gòu)緊湊性的要求很高 。增強抗碰撞能 力主要考慮使用防護材料以及減震等 [3]。 為了防止這類現(xiàn)象的發(fā)生，以延長輥子的運轉(zhuǎn)壽命，我們考慮采用鋁制芯筒外裹硬質(zhì)橡膠材料制造輥子（原因在于硬質(zhì)橡膠材料具有很好的防滑能力，例如我們所穿的防滑運動鞋大部分都是硬質(zhì)橡膠底的）。 減少重量主要從材料上考慮 ， 盡量使用輕型高強度材料 ， 如鋁合金等 [3]。 全向移動平臺的車體 底盤 布局 如何使機器人具有良好的運動性能 ， 是進行車體布局及運動機構(gòu)設(shè)計時 首先要考慮的因素。 全向輪系的類型選擇 除全向輪自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計外，全向輪系的結(jié)構(gòu)形式也將對整個平臺的運動穩(wěn)定性和靈 活性起到?jīng)Q定性作用，因而我們有必要對他的輪系的結(jié)構(gòu)形式予以選擇： 典型的全向輪系分為三輪和四輪全向輪系兩種。 以上這些特點恰好符合本文的設(shè)計要求：系統(tǒng)在無需車體做出任何轉(zhuǎn)動的情況下便可以實現(xiàn)任意方向的移動，并且能在原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運動非常靈活，可沿平面 上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以 普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉(zhuǎn) [1]。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了 3個自由度：繞主輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂線方向的平動，以及繞輥子與地面接觸點的轉(zhuǎn)動。輥子的軸線與輪的軸線成角度，并且輥子可繞自身軸線自由旋轉(zhuǎn)。 其中對整個平臺是否能進行全向運動起決定性作用的主要是其輪子上的輥子的結(jié)構(gòu)組成，本節(jié)將針對這一特點， 通過引入 Mecanum 全向輪 的特點分析其實現(xiàn)全向移動的過程 。 在附錄中，本文給出了 各種模型分析的 建模分析過程及 符號說明、 系統(tǒng)運動協(xié)調(diào)原理分析推導過程、 輥子的設(shè)計計算程序、 減速器與電機的安裝圖解及PLC運動控制編程 。之后 本文對系統(tǒng)的控制調(diào)試過程和其中遇到的問題進行全面地敘述與分析，并給出了系統(tǒng)的最佳控制方案與仿真結(jié)果。 同時由于系統(tǒng)需要對全向移動平臺的運動速度進行實時跟蹤監(jiān)控 ，并做出合理的調(diào)整使得系統(tǒng)能夠按照預期運行，因而本文還在 第三章的最后依照上一節(jié)分析對 上位機控制功能 的 分析對控制系統(tǒng)的組態(tài)王監(jiān)控功能的實現(xiàn)做出了具體監(jiān)北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 控系統(tǒng)的 設(shè)計 ，并提出了具體的控制策略 。 同時本文綜合以上 的分析，全面分析了 GPRS無線遠程通信方式的選擇緣由，同時還綜合通信要求對 GPRS無線通信模塊進行了選型設(shè)計。同時， 本文還經(jīng)查閱相關(guān)尺寸資料計算出了底盤的尺寸分布圖。 在第三 章 本文首先針對設(shè)計要求給出了整體的控制方案，并針對這一方案進行了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。同時在第 ，并結(jié)合實際情況分析出了系統(tǒng)實際模型的特點。從第二節(jié)開始本文從分析全向移動平臺的車體 底盤 布局 形式 對其受力的影響分析對系統(tǒng)的動力學進行了建模分析 ，進而全面分析并建立了系統(tǒng)的動力學和運動學模型，并分析了其在各種運動中的運動原理與特點 及自身的運轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)原理 ，并對系統(tǒng)做全向運動的運動過程做出了具體細致的描述。而 PLC控制恰好能以其高抗干擾的特點克服一切異常、特殊情況的發(fā)生！因而本文將就如何利用 PLC控制實現(xiàn)全向移動平臺能在各種路徑都運轉(zhuǎn)自如的功能。而全向移動機構(gòu)恰好以其零回轉(zhuǎn)半徑的特點使得其能在各種各樣的路徑都實現(xiàn)自由運轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向，因而它也必將成為未來機器人研究和設(shè)計的方向。 而對于機器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴展其最大的問題便是移動機器人如何能夠在狹窄、擁擠的地面空間靈活運轉(zhuǎn)、自由運動。選用 PLC控制對機器人的自動控制系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和工人的勞動強度，效果良好。 ： 采用 PLC作為運動控制器的運動控制，是將預定的目標轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C械運動，控制機械實現(xiàn)準確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力矩控制以及這些機械量的綜合控制。 ： 總而言之，作為一種新興的產(chǎn)品，全向輪智能移動平臺目前面向軍、民用戶的推廣仍局限在較小的行業(yè)和地域內(nèi)。其中驅(qū)動系統(tǒng)是全向輪智能移動平臺的核心，其通過自主或遙控形式改變輪系的狀態(tài)參數(shù)，從而實現(xiàn)平面內(nèi)各自由度的運動；控制系統(tǒng)是全向輪智北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 能移動平臺的另一個重要組成部分，其控制平臺的運動準確度、與遙控端通訊的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，以及平臺的安全穩(wěn)定運行等； 全向輪智能移動平臺運用剛體動力學理論，攻克了空間自由度分配、運動參數(shù)合成、摩擦阻力控制等多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了移動平臺多工況的全向運動。 3) 應(yīng)用領(lǐng)域： 足球機器人、全方位輪椅、月球車、工程叉車等。 (4) 瑞士輪 Mecanum 輪普遍在最近幾年在足球機器人比賽中。 (3) 另外還有一種稱為 Mecanum 的全方位輪。 2) 研究歷史簡述： (1) 日本電通大的越山篤等人研制出球 輪驅(qū)動式全方位移動機器人。另外，全方位移動機構(gòu)可以對自己所處的位置進行細微的調(diào)整，使得它具有精確定位和高精度軌跡跟蹤的能力。 選題背景 全方位輪的特點與應(yīng)用前景： 1) 全方位輪的特點： 所謂全方位移動機構(gòu)是指運動機構(gòu)在二維平面上，從當前位置能夠向任意方向運動，而不需要車體改變姿態(tài)。 同時在文章書寫階段本人還廣泛閱讀了有關(guān) GPRS 無線通信 、無刷直流電機驅(qū)動選型 及其驅(qū)動控制原理分析 、以及各類 PLC 輸入輸出元件選型的相關(guān)手冊和書籍， 為明確各類控制芯片的選型步驟，理清系統(tǒng)的通信、驅(qū)動、控制原理打下了堅實的理論基礎(chǔ)。 課題調(diào)研 本文在課題調(diào)研過程中除了閱讀并理解了指定的 四本參考文獻（基于Mecanum 輪的全向移動機器人的研制、全向移動機器人輪系的運動參數(shù)計算、機器人學、三輪全向足球機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)模型研究）外，廣泛閱讀并理解了多種輪式移動機器人的控制研究實例與原理分析， 并綜合本文設(shè)計要求合理進行了全向移動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 而為了促進這類服務(wù)機器人技術(shù)的突破，其問題的關(guān)鍵還是如何能讓機器人從原有的直線位移或是較寬的道路上行駛逐漸轉(zhuǎn)向如何能在狹窄、擁擠的各種路徑中精確、平穩(wěn)、靈活地運行。尤其是近幾年來，人民生活水平不斷提高，人口老齡化問題日益嚴峻，服務(wù)機器人需求的崛起給機器人技 術(shù)與產(chǎn)業(yè)帶來了空前的發(fā)展機遇，比爾 關(guān)鍵詞 全向移動 高精度軌跡跟蹤 自然 停車制動 無刷直流動力驅(qū)動 PLC 運動 控制 GPRS 無線通信 組態(tài)王 II Title The Design and Implmentation of Omnidirectional Mobile Platform Control System Abstract In this paper, for the study motion control of mobile platform, first give a thorough analysis to the movement principle and the structure of the omnidirectional mobile platform, at the same time based on this, a prehensive analysis is used to characteristics of the dynamic model of the system, and analyze working relationship of the coordination between the body and the wheel, and then analyzes moving characteristics and movement principle of the system in omnidirectional movement process, moreover, to verify the feasibility of the omnidirectional movement of a theory, and then analyzes the reason of the may exist high precision trajectory tracking problem in continuous operation process, at the same time, motor rotate in the opposite direction have an effect in the movement process is used to propose a way to solve the omnidirectional mobile platform system’s high precision trajectory tracking problem in continuous operation. In this paper, aim at control requirement of omnidirectional mobile platform, propose whole design thinking of control scheme, moreover, according to this scheme, and bine characteristics of system, aim at driving, signal sampling, control, and monitoring module, give a thorough design to the hardware and software system. Finally, this paper starts with the system debugging and improvements, bine with the concrete practice prehensive analysis the existence problems in the debugging process of the system, and then propose specific solutions. Keywords Omnidirectional mobile High precision trajectory tracking