一种新型万向轮平台的设计与实现

2014-04-19吴晓林陈益萍蒋日乾林国英

科技传播 2014年12期

吴晓林，陈益萍，蒋日乾，林国英

福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350116

传统的轮式转运设备由普通车轮构成的行驶系统和转向系统组成，在转运空间有限、工作通道狭窄的情况下，存在着转弯半径大、空间利用率低、运动灵活性差、转运效率不高等诸多缺点。基于全向轮技术的全向移动平台切实解决了该难题。本文提出一种全向轮式移动设备，其可以在二维平面上产生三个自由度的全向运动。采用电子罗盘和陀螺仪来完成车身的姿态控制，同时根据摄像头得到的位置信息来计算下一步的速度方向，基于该速度方向来协调三个固定角度差的步进电机的转速，最终达到零转弯半径的灵活运动。

1 全向移动小车机械结构设计

1.1 全向轮结构选择

全向轮由轮毂和从动辊轮组成。轮毂外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一个从动辊轮，从动辊轮径向方向与轮毂外圆周切线方向垂直，全向轮的这种互补结构提供了较好的承载力。本文选用三轮底盘，三个万向轮的安装采用两两成120度对称分布，通过三个速度的合成实现小车的全向运动。

1.2 陀螺仪和电子罗盘选择及安装

要保持车身姿态不变，首先要得到车身的姿态数据，本设计采用电子罗盘来检测车身姿态。电子罗盘的工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴感应地球磁场的磁分量，通过地磁场在X轴和Y轴的两个分矢量值来确定车身方位值。电子罗盘内置温度补偿，可以最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度，电子罗盘噪声较大，通过陀螺仪进行滤波积分，能够得到车身前进角度，对车身进行姿态控制。采集陀螺仪角速度AD值，经过缩放积分后得到旋转角，与电子罗盘的角度拟合和滤波，形成控制偏差角，用于全向平台的姿态控制。数字罗盘与底盘平行安装，陀螺仪与底盘垂直安装，两者是构成本文所设计的全向移动平台的核心。

2 全向移动平台控制系统实现

2.1 实验平台设计

本设计的系统组成如图1。其中控制器选用Freescale公司的高性能芯片MK60DN512ZVLL10，具有32位ARM Cortex-M4内核，工作主频可达200MHz，可为复杂算法运行提供硬件基础。芯片中的FTM模块所提供的PWM功能用于驱动电机，实现电机速度和转向的调节，DMA功能对电机进行速度闭环调控，IIC模块与GY-26进行数据通信获取车体角度，GPIO模块驱动LED显示屏，显示相关参数。

图1 系统组成

2.2 车身姿态控制设计

本设计选用GY-26电子罗盘和ENC-03陀螺仪。GY-26是一款低成本平面数字罗盘模块，输入电压低，功耗小，体积小，精度高，稳定性高，并且具有重新标定的功能，能够在车体运动到任意位置得到准确的方位角，为陀螺仪积分运算提供精确的标准量。ENC-03是一款以陶瓷材料为主要原料的角速度传感器，是单轴陀螺仪模块，其通过角加速度原理，将车体运动偏移产生的位移，转换成电压传给MCU。陀螺仪角加速度积分运算后得到车体旋转角的角度，将其与电子罗盘反馈的角度拟合和滤波，形成偏差角度，进行车身姿态控制。

全向移动平台要求车体能进行回转半径为零的运动。传统模式下车体运动转弯时，轮子进行偏转，车体由于惯性有一个旋转的角度，为了实现车体的姿态不变，需要对这个旋转角进行修正。本设计采用陀螺仪和电子罗盘反馈获取姿态修正角度Angle，系统则根据此时的修正角度Angle发出指令，让车体向旋转轴相反的方向旋转Angle，这样，车体就能保持同一姿态进行运动。